Série Energias Renováveis ELETRICIDADE - CERPCH
Série Energias Renováveis ELETRICIDADE - CERPCH
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ISBN 978-85-60856-03-3<br />
<strong>Série</strong><br />
<strong>Energias</strong> <strong>Renováveis</strong><br />
<strong>ELETRICIDADE</strong>
Ângelo Stano Júnior<br />
Geraldo Lúcio Tiago Filho<br />
<strong>Série</strong><br />
<strong>Energias</strong> <strong>Renováveis</strong><br />
<strong>ELETRICIDADE</strong><br />
1º Edição<br />
Organizado por Geraldo Lúcio Tiago Filho<br />
Itajubá, 2007.
Obra publicada com o apoio do Ministério de Minas e Energia e da Fundação de Apoio<br />
ao Ensino Pesquisa e Extensão de Itajubá<br />
Edição<br />
Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas<br />
Presidente: Ivonice Aires Campos<br />
Secretário Executivo: Geraldo Lúcio Tiago Filho<br />
Revisão<br />
Ângelo Stano Júnior<br />
Adriana Barbosa<br />
Organização<br />
Prof. Dr. Geraldo Lúcio Tiago Filho<br />
Colaboração<br />
Camila Rocha Galhardo<br />
<strong>CERPCH</strong> - Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas<br />
Avenida BPS, 1303 - Bairro Pinheirinho CEP: 37500-903 - Itajubá - MG - Brasil<br />
Tel: (+55 35) 3629-1443 Fax: (+55 35) 3629 1265<br />
S789e<br />
Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Mauá -<br />
Bibliotecária Margareth Ribeiro - CRB_6/1700<br />
Projeto Gráfico<br />
Orange Design<br />
Editoração e Arte-Final<br />
Adriano Silva Bastos<br />
Stano Júnior, Ângelo<br />
Eletricidade / Ângelo Stano Júnior e Geraldo Lúcio Tiago Filho;<br />
organizado por Geraldo Lúcio Tiago Filho; revisão Ângelo Stano<br />
Júnior e Adriana Barbosa ; colaboração Camila Rocha Galhardo ;<br />
editoração e arte-final Adriano Silva Bastos. --<br />
Itajubá, MG : FAPEPE, 2007.<br />
40p. : il. -- (<strong>Série</strong> <strong>Energias</strong> <strong>Renováveis</strong>)<br />
ISBN: 978 - 85 - 60858 - 01 - 9<br />
ISBN: 978 - 85 - 60858 - 03 - 3<br />
1. Eletricidade básica. 2. Conversão de energia. I. Título.<br />
CDU 537<br />
Sumário<br />
1.0 – Introdução<br />
2.0 – Histórico da eletricidade<br />
3.0 – Eletricidade estática e dinâmica<br />
4.0 – Magnetismo e eletricidade<br />
5.0 – Geração de energia elétrica<br />
6.0 – Componentes elétricos<br />
6.1 – Resistores<br />
6.2 – Indutores<br />
6.3 – Capacitores<br />
6.4 – Impedância<br />
7.0 – Potência e fator de potência<br />
7.1 – Correção do fator de potência<br />
8.0 – O gerador síncrono real<br />
8.1 – Partes componentes principais<br />
8.2 – Funcionamento do gerador síncrono<br />
8.3 – O gerador em carga<br />
9.0 – Circuitos trifásicos<br />
9.1 – Cargas trifásicas<br />
10.0 – Falhas em circuitos elétricos<br />
10.1 – Sobrecargas<br />
10.2 – Proteção contra sobrecargas<br />
10.3 – Curtos-circuitos<br />
10.4 – Proteção contra curtos-circuitos<br />
11.0 – Transformadores<br />
11.1 – Funcionamento do transformador<br />
11.2 – O transformador em carga<br />
11.3 – Transformadores trifásicos<br />
12.0 – Bibliografia<br />
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40
Capítulo 1<br />
Capítulo 1<br />
Eletricidade é uma forma de energia, resultante do fluxo de elétrons. Todos os materiais são<br />
constituídos de átomos, e esses possuem um centro chamado núcleo. O núcleo contém cargas<br />
positivas chamadas prótons e partículas sem carga chamadas nêutrons. Os núcleos dos átomos<br />
são rodeados de partículas de carga negativa chamadas elétrons. A carga negativa de um elétron<br />
é igual à carga positiva do próton, e o número de elétrons em um átomo é usualmente igual<br />
ao número de prótons. Quando a força equilibrada entre prótons e elétrons é desequilibrada<br />
por uma força externa, um átomo pode ganhar ou perder elétrons. O movimento livre de um elétron<br />
que escapou de um átomo constitui uma corrente elétrica.<br />
A eletricidade é parte da natureza e é uma de nossas mais utilizadas formas de energia. Nós<br />
obtemos a eletricidade, como uma fonte secundária de energia, a partir da conversão de outras<br />
fontes de energia como o carvão, gás natural, óleo, energia nuclear e outras fontes naturais chamadas<br />
de fontes primárias. Muitas cidades foram construídas ao longo de quedas d'água (uma<br />
fonte primária de energia mecânica) que faziam girar rodas d'água para realização de trabalho.<br />
Antes da geração de energia elétrica se tornar viável, cerca de cem anos atrás, casas eram iluminadas<br />
com lampiões e a comida era conservada em caixas de gelo. A partir do experimento de<br />
Benjamin Frankilin durante uma tempestade na Filadélfia, os princípios da eletricidade foram<br />
sendo gradualmente entendidos. Na metade do século XIX Thomas Edison mudou a vida de todos<br />
nós com a invenção da lâmpada elétrica.<br />
A energia elétrica é uma das principais fontes de energia da civilização contemporânea. O<br />
elétron, que apresenta uma carga considerada, por convenção, de sinal negativo, constitui o fundamento<br />
dessa forma de energia, já que é o seu movimento que possibilita a realização de trabalho.<br />
A energia elétrica é uma das formas de energia mais versáteis que existe, porque ela é relativamente<br />
fácil de transmitir e utilizar.<br />
A primeira lâmpada elétrica foi obra de um grande cientista americano, Tomas<br />
Alva Edison, que a fabricou em 1880.<br />
Capítulo 2<br />
Introdução Histórico da eletricidade<br />
A história da eletricidade é fascinante. Ela não começou com Benjamin Franklin quando<br />
ele realizou sua experiência durante uma tempestade ou quando lâmpadas elétricas foram<br />
instaladas nas casas. A verdade é que a eletricidade sempre esteve à nossa volta, porque ela<br />
existe na natureza. Os raios, por exemplo, são simplesmente um fluxo de elétrons trocado entre<br />
o solo e as nuvens ou vice-versa. Quando tocamos alguma coisa e sentimos um choque, isso<br />
é resultado da troca de cargas estáticas entre nós e o objeto.<br />
Na rica história da eletricidade, as primeiras descobertas foram feitas na Grécia antiga. Os<br />
filósofos gregos descobriram que, quando o âmbar era esfregado contra um pano de lã, objetos<br />
leves podiam ser atraídos para ele, o que vem a ser a base da eletricidade estática. A palavra<br />
eletricidade deriva do vocábulo grego elektron (âmbar), como conseqüência da propriedade<br />
que tem essa substância de atrair partículas de pó ao ser atritada com fibras de lã.<br />
O cientista inglês William Gilbert, primeiro a estudar sistematicamente a eletricidade e o<br />
magnetismo, verificou que outros materiais, além do âmbar, adquiriam, quando atritados, a<br />
propriedade de atrair outros corpos, e chamou a força observada de elétrica. Atribuiu essa eletrificação<br />
à existência de um "fluido" que, depois de removido de um corpo por fricção, deixava<br />
uma "emanação". Embora a linguagem utilizada seja curiosa, as noções de Gilbert se aproximam<br />
dos conceitos modernos, desde que a palavra fluido seja substituída por "carga", e<br />
emanação por "campo elétrico".<br />
No século XVIII, o francês Charles François de Cisternay Du Fay comprovou a existência<br />
de dois tipos de força elétrica: uma de atração, já conhecida, e outra de repulsão. Suas observações<br />
foram depois organizadas por Benjamin Franklin, que atribuiu sinais positivo e negativo<br />
para distinguir os dois tipos de carga. Nessa época já haviam sido reconhecidas duas classes<br />
de materiais: isolantes e condutores.<br />
Ao longo dos séculos, têm havido diversas descobertas na história da eletricidade. Além<br />
dos famosos Franklin e Edison, diversos outros inventores e pesquisadores desempenharam<br />
um papel crucial na história da eletricidade, e entre eles se destacam.<br />
Benjamin Franklin<br />
Franklin foi um escritor, editor, cientista e diplomata americano, que ajudou a escrever a<br />
famosa Declaração de Independência e a Constituição Americana. Em 1752 Franklin contribuiu<br />
para a história da eletricidade provando que as descargas atmosféricas e as faíscas do<br />
Âmbar são a mesma coisa. Em seu famoso experimento Franklin prendeu uma ponta de ferro<br />
em uma pipa que ele soltou durante uma tempestade, enquanto segurava o final da linha atra-<br />
04 05
vés de uma chave metálica. Quando acorreu uma descarga atmosférica, uma pequena faísca<br />
pulou da chave para o seu relógio de pulso. O experimento provou a teoria de Franklin, mas é<br />
extremamente perigoso. Quem o tenta repetir pode facilmente morrer.<br />
Galvani e Volta<br />
Em 1786 Luigi Galvani, um professor italiano de medicina, contribuiu para a história da<br />
eletricidade quando descobriu que a perna de uma rã morta, quando tocada por uma faca metálica,<br />
se movia rapidamente. Galvani concluiu que os músculos da rã deviam conter eletricidade.<br />
Em 1792 outro cientista italiano, Alessandro Volta, discordou: ele imaginou que o fator<br />
principal na descoberta de Galvani era a presença de dois materiais, a faca de aço e o prato de<br />
estanho onde a perna da rã era colocada. Volta demonstrou que, quando a água penetra entre<br />
dois materiais diferentes, a eletricidade pode aparecer. Isso o inspirou a inventar a primeira<br />
bateria elétrica, a pilha voltaica, que era construída com folhas finas de cobre e zinco separadas<br />
por uma pasta úmida.<br />
Foi desta forma que um novo tipo de eletricidade foi descoberta, aquela que flui de forma<br />
constante como uma corrente de água, não se descarregando em uma única descarga ou choque.<br />
Volta mostrou que a eletricidade podia viajar de uma placa para outra através de um fio,<br />
fazendo uma importante contribuição à ciência da eletricidade. A unidade de medida do potencial<br />
elétrico, o Volt, é uma homenagem a Volta.<br />
Michael Faraday<br />
Na história da eletricidade o crédito pela geração de energia elétrica em uma escala prática<br />
cabe ao famoso cientista Inglês, Michael Faraday. Faraday estava interessado na invenção do<br />
eletromagneto, porém sua mente brilhante ia além. Se a eletricidade podia poduzir magnetismo,<br />
porque o magnetismo não podia produzir eletricidade?<br />
Em 1831 Faraday encontrou a solução. A eletricidade podia ser produzida através do magnetismo<br />
pelo movimento. Ele descobriu que quando um magneto era movido dentro de uma<br />
bobina de fio de cobre, uma pequena corrente elétrica fluía pelo fio. É claro que, nos dias atuais,<br />
o dínamo elétrico é obsoleto, e fornece apenas uma pequena corrente elétrica, porém ele<br />
descobriu o princípio de geração de eletricidade, por meio do movimento em um campo magnético.<br />
A unidade de medida da capacitância elétrica, o Farad, é uma homenagem a esse cientista.<br />
Thomas Edison e Joseph Swan<br />
Aproximadamente 40 anos da história da eletricidade se passaram antes que um gerador<br />
DC prático e real fosse construído por Thomas Edson na América. As muitas invenções de<br />
Edison incluem o fonógrafo e um telégrafo melhorado. Em 1878 Joseph Swan, um cientista<br />
britânico, contribuiu para a história da eletricidade com a invenção de um filamento para lâmpada<br />
incandescente, descoberta similar à que Edison fez 12 meses depois. Swan e Edison mais<br />
tarde fundaram uma empresa para produzir o primeiro filamento prático para lâmpadas.<br />
Antes disso, na história da eletricidade, a luz elétrica vinha sendo proporcionada por rústicas<br />
lâmpadas a arco.<br />
Edison utilizou seu gerador DC para fornecer eletricidade para iluminar seu laboratório e<br />
mais tarde para iluminar a primeira rua de Nova Iorque, em setembro de 1882. O sucesso de<br />
Edison não ocorreu sem controvérsias, e embora ele tenha se convencido dos méritos da geração<br />
em corrente contínua, outros cientistas na Europa e na América perceberam as principais<br />
desvantagens dessa forma de geração.<br />
George Westinghouse e Nikola Tesla<br />
Dois outros personagens importantes na história da eletricidade foram Westinghouse,<br />
um famoso inventor e industrial americano, e Nicola Tesla. Westinghouse comprou a patente<br />
do motor de Tesla para geração de corrente alternada. O trabalho de Westinghouse, Tesla e<br />
outros, gradualmente persuadiu a sociedade americana das vantagens da geração AC, que<br />
permite a transmissão de grandes volumes de energia elétrica, através do uso de transformadores,<br />
o que é impossível de outra forma. Atualmente, a unidade de medição do campo magnético<br />
homenageia o nome de Tesla.<br />
James Watt<br />
Quando o gerador de Tesla foi acoplado por Edison à máquina a vapor de Watt, a produção<br />
de eletricidade em larga escala se tornou uma proposta prática na história da eletricidade.<br />
James Watt, o inventor escocês da máquina a vapor nasceu em 1736. Suas melhorias nas máquinas<br />
a vapor foram patenteadas em um período de 15 anos, iniciado em 1769, e seu nome<br />
foi dado à unidade de medida da potência elétrica, o Watt.<br />
André Ampere<br />
Andre Marie Ampere foi um matemático francês que se devotou a estudar a eletricidade e<br />
o magnetismo, e foi o primeiro a explicar a teoria eletrodinâmica. Uma homenagem permanente<br />
a Ampere é o uso de seu nome para a unidade de corrente elétrica.<br />
George Ohm<br />
George Simon Ohm, um matemático e físico alemão, era um professor universitário em<br />
Colônia quando, em 1827, publicou seu trabalho intitulado “O Circuito Galvânico Investigado<br />
Matematicamente”. Suas teorias foram friamente recebidas pelos cientistas alemães, mas<br />
suas pesquisas foram reconhecidas na Inglaterra onde foi agraciado com a medalha Copley<br />
em 1841. Seu nome foi dado à unidade de resistência elétrica.<br />
06 07
Capítulo 3<br />
Capítulo 3<br />
Eletricidade estática e dinâmica<br />
A eletricidade estática é aquela que não é capaz de fluir em uma corrente. A eletricidade estática<br />
é produzida pela fricção de dois materiais não magnéticos. O atrito entre os dois materiais<br />
gera eletricidade estática porque o material com excesso de elétrons os transfere para o material<br />
carregado positivamente. De forma geral, materiais que não conduzem correntes elétricas (isolantes),<br />
são bons para reter eletricidade estática. Essas substâncias incluem borracha, plásticos,<br />
vidro ou breu. Os elétrons que são transferidos na eletricidade estática ficam armazenados na<br />
superfície do objeto.<br />
A maior parte dos materiais é eletricamente neutra. Isso ocorre porque seus átomos e moléculas<br />
têm o mesmo número de elétrons e prótons. Se um material, de alguma forma, obtém elétrons<br />
extras e os mantém em sua órbita, ele adquire assim uma carga negativa. Da mesma forma,<br />
se o material perde elétrons ele se torna positivamente carregado. O campo elétrico resultante<br />
do excesso de cargas pode causar os efeitos de atração, repulsão ou até uma faísca.<br />
A eletricidade estática não possui aplicação prática. Ela nos é muito familiar como um acontecimento<br />
desagradável em estações de baixa umidade, mas pode se tornar destrutiva e perigosa<br />
em algumas situações. Quando trabalhamos em contato direto com circuitos eletrônicos integrados,<br />
ou na presença de gases inflamáveis, deve-se tomar cuidado com a eletricidade estática<br />
acumulada ou com a ocorrência de faíscas dela resultante. Outra ocorrência destruidora, os raios,<br />
são descargas de eletricidade estática de grande intensidade.<br />
A eletricidade dinâmica é aquela que é capaz de fluir de forma constante por um circuito,<br />
não se descarregando em uma única descarga ou choque. Foi produzida pela primeira vez através<br />
da pilha de Volta, a partir de um processo químico, e posteriormente através dos dínamos e<br />
geradores inventados e desenvolvidos por Edison e Tesla. Volta, fez outra importante contribuição<br />
à ciência, mostrando que a eletricidade podia viajar de uma placa para outra por meio de<br />
um fio.<br />
A eletricidade dinâmica, por fluir de forma constante, permite a realização de trabalho, e é a<br />
forma de eletricidade que responde, atualmente, por boa parte da energia utilizada no mundo.<br />
Capítulo 4<br />
Capítulo 4<br />
Magnetismo e Eletricidade.<br />
Um fenômeno aparentemente não relacionado com a eletricidade e com o magnetismo é dos<br />
campos eletromagnéticos. Nós estamos familiarizados com a eletricidade e o magnetismo, e as<br />
forças magnéticas podem ser explicadas em termos muito similares àqueles utilizados para as<br />
forças elétricas.<br />
· existem dois pólos magnéticos, aos quais se convencionou chamar de pólos Norte e Sul;<br />
· pólos iguais se repelem e pólos opostos se atraem.<br />
Entretanto o magnetismo difere da eletricidade em um aspecto importante:<br />
· diferentemente das cargas elétricas, os pólos magnéticos sempre ocorrem em pares Norte-<br />
Sul, não existindo monopólos magnéticos.<br />
Figura 4.1 – Linhas de campo magnético em um ímã<br />
A conexão entre eletricidade e magnetismo foi descoberta acidentalmente por Orsted a aproximadamente<br />
100 anos atrás, quando observou que a agulha de uma bússola defleccionava<br />
quando era colocada nas vizinhanças de um condutor com corrente elétrica (movimento de elétrons).<br />
Desta forma concluiu que uma corrente circulando por um condutor induz um campo<br />
magnético em suas proximidades. Um eletromagneto é simplesmente um condutor enrolado<br />
na forma de uma bobina, que quando percorrido por corrente produz um campo magnético,<br />
conforme mostra a figura a seguir.<br />
Um exemplo deste tipo de fenômeno ocorre nos átomos,<br />
já que o movimento dos elétrons em torno do núcleo<br />
forma um circuito de corrente, e assim um campo<br />
magnético pode ser associado a um átomo individual.<br />
Essa é a propriedade básica que se acredita seja a origem<br />
das propriedades magnéticas de vários tipos de materiais<br />
encontrados na natureza.<br />
Uma conexão adicional entre a eletricidade e o mag-<br />
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corrente<br />
linhas de campo magnético<br />
Figura 4.2 – Diagrama esquemático<br />
de um eletroímã.<br />
S N
netismo foi descoberta por Faraday, que observou que a variação de um campo magnético que<br />
atinge espiras de fio faz com que apareçam correntes induzidas nessas espiras.<br />
Se o ímã é movimentado na direção do plano da bobina, é induzida uma corrente no sentido<br />
anti-horário, como indicado na figura.<br />
corrente<br />
induzida<br />
ímã sendo movimentado<br />
no plano da bobina<br />
campo magnético<br />
produzido pela corrente<br />
Figura 4.3 – Corrente induzida<br />
em uma bobina<br />
Anotações:<br />
De forma alternativa, se o campo magnético é afastado<br />
da bobina, é induzida uma corrente no sentido<br />
horário. Essas correntes induzidas só se mantém enquanto<br />
o ímã estiver sendo movimentado, desaparecendo<br />
quando o ímã pára, e têm um interessante aspecto<br />
do ponto de vista das propriedades magnéticas.<br />
Aproximando ou afastando o ímã, irão aparecer<br />
na bobina correntes induzidas, que por sua vez produzirão<br />
campos magnéticos. Esses campos magnéticos<br />
induzidos sempre tenderão a se opor àqueles que<br />
lhes deram origem, fenômeno que é conhecido como<br />
Lei de Lenz.<br />
Capítulo 5<br />
Capítulo 5<br />
Geração de energia elétrica<br />
Os princípios que foram discutidos no item anterior são aqueles em que se baseia o processo<br />
de geração de energia elétrica. Vimos que, ao movimentar um ímã próximo a um condutor, nesse<br />
condutor irá aparecer uma tensão, que é a chamada tensão induzida. O gerador elétrico foi<br />
construído de forma a otimizar esse processo, e é constituído de uma parte a que chamamos de<br />
rotor, que é girante e que produz o campo magnético. Em torno do rotor é montado o estator,<br />
que é a parte fixa da máquina, e que é composto de bobinas nas quais aparece a tensão induzida.<br />
É importante ressaltar que a tensão induzida só irá aparecer enquanto estiver ocorrendo variação<br />
do campo magnético, ou seja, no caso do gerador, enquanto o rotor estiver girando. A tensão<br />
induzida será função da amplitude e da velocidade de variação do campo magnético. Quanto<br />
mais forte o campo magnético e quanto maior a velocidade de giro do rotor maior será a tensão<br />
induzida. A figura a seguir mostra um desenho esquemático de um gerador desse tipo.<br />
estator<br />
rotor<br />
energia elétrica gerada<br />
Figura 5.1 – Desenho esquemático de um gerador elétrico<br />
À medida que o rotor se movimenta o campo magnético nos condutores do estator irá variar,<br />
o que proporcionará o aparecimento de uma tensão induzida. Como o campo magnético varia,<br />
existirá obrigatoriamente um momento em que ele será máximo e outro em que ele será míni-<br />
o<br />
mo, no caso igual a zero. Como o rotor tem um pólo Norte e um pólo Sul, depois de 180 de rotação<br />
o sentido do campo magnético nos condutores do estator se inverte, ocorrendo por conseqüência<br />
inversão na polaridade da tensão induzida. A tensão gerada terá valores variáveis em<br />
função da posição do rotor, que irão de zero a um valor máximo, e, além disso, terá valores ora<br />
positivos, ora negativos. A figura a seguir exemplifica o que foi dito.<br />
10 11
N S<br />
N S<br />
N S<br />
N S<br />
N S<br />
N S<br />
Figura 5.2 – Forma de onda da tensão induzida no condutor do estator em função da posição do rotor<br />
A forma de onda mostrada na figura anterior é do tipo alternada, já que alterna valores positivos<br />
e negativos. Pode ser demonstrado ainda que a variação da forma de onda tem formato senoidal.<br />
A forma de onda gerada, portanto, é do tipo Alternada e Senoidal.<br />
U<br />
U<br />
Figura 5.3 – Forma de onda de uma<br />
tensão contínua<br />
i=0<br />
R<br />
U<br />
i=U/R<br />
(a) (b)<br />
Figura 5.4 – Estabelecimento da corrente<br />
em um circuito<br />
N S<br />
N S<br />
N S<br />
Um outro tipo de dispositivo gerador de eletricidade,<br />
como as pilhas e baterias, produz uma<br />
tensão que não alterna entre valores positivos e<br />
negativos, sendo sempre ou positiva ou negativa.<br />
Além disso, não há variação do valor de tensão<br />
a curto prazo. Nessa situação dizemos que a<br />
tensão gerada é contínua, e o gráfico que a representa<br />
é mostrado na figura ao lado.<br />
A uma tensão, seja ela alternada ou contínua,<br />
pode estar associada uma corrente, desde que<br />
exista um circuito fechado. A figura 5.4(a) ao lado<br />
mostra uma situação em que existe tensão,<br />
proporcionada pela fonte alternada, mas não<br />
existe corrente, visto que, em função da chave S1<br />
estar aberta, o circuito também está aberto, não<br />
havendo, portanto, caminho para circulação de<br />
corrente. Já a figura 5.4(b) mostra uma situação<br />
diferente, na qual a chave S1 e o circuito estão fe-<br />
chados, havendo um caminho para circulação da corrente, e, portanto, essa se estabelece. O valor<br />
da corrente neste circuito é calculado pela lei de Ohm, e será dado por:<br />
sendo i a corrente, U a tensão e R a resistência do resistor.<br />
t<br />
R<br />
Capítulo 6<br />
Capítulo 6<br />
Componentes Elétricos<br />
Os componentes elétricos principais, quando se trata de circuitos elétricos, são os resistores,<br />
indutores e capacitores. Neste item iremos discutir suas características e suas aplicações.<br />
6.1 Resistores<br />
Os resistores são componentes elétricos construídos para oferecer uma resistência à passagem<br />
dos elétrons, dificultando dessa forma a circulação da corrente elétrica. Essa oposição à passagem<br />
dos elétrons ocorre porque esse componente se apresenta ao circuito como um estrangulamento,<br />
uma restrição no caminho dos elétrons. Qualquer material, mesmo os condutores,<br />
apresenta a resistência como característica elétrica, sendo essa resultante de uma grandeza física<br />
que é a resistividade do material, que por sua vez está associada à quantidade de elétrons livres<br />
nele presentes. Quanto maior o número de elétrons livres, menor será a resistividade do material.<br />
O cobre é um exemplo de um material de baixa resistividade, o que faz com que ele seja<br />
muito utilizado na fabricação de fios e cabos para transporte de energia, situação na qual são desejáveis<br />
baixas resistências. O material metálico de menor resistividade é o ouro, porém sua utilização<br />
como condutor fica restrita a algumas aplicações especiais em virtude de seu elevado<br />
preço.<br />
A resistência elétrica de um pedaço de fio é diretamente proporcional à resistividade e ao<br />
comprimento, e inversamente proporcional à sua área ou secção transversal. Desta forma, ao<br />
construir um resistor, ou seja, um componente destinado a oferecer uma resistência à passagem<br />
da corrente, não é utilizado cobre ou ouro, mas um material que, embora seja condutor, apresente<br />
elevada resistividade. Os materiais mais utilizados para esse fim são as ligas metálicas de<br />
níquel-cromo e o carbono.<br />
Conforme foi dito, uma resistência é uma restrição, um estrangulamento do circuito elétrico,<br />
e quando os elétrons passam por ela são forçados a se concentrarem, sendo o efeito direto dessa<br />
concentração a produção de calor. Esse efeito é desejável quando se quer produzir calor, o que<br />
se traduz em uma das principais aplicações dos resistores, muito utilizados para aquecimento<br />
de água e de ambientes, e geração de calor para processos industriais.<br />
Por outro lado, como qualquer condutor apresenta resistência, quando os utilizamos para<br />
construção das máquinas elétricas e sistemas de transporte de energia essa resistência obrigatoriamente<br />
irá fazer parte desses componentes, motivo pelo qual é chamada de resistência parasita.<br />
É dessa resistência parasita que decorre o efeito indesejado, que são as perdas de energia na<br />
12 13
forma de calor.<br />
Quando aplicamos tensão sobre um resistor, irá circular por ele uma corrente que terá a mesma<br />
forma de onda da tensão e estará em fase com ela, ou seja, as formas de onda de tensão e corrente<br />
passam por seus valores nulos, mínimos e máximos simultaneamente. As figuras a seguir<br />
esclarecem o que foi dito.<br />
U, i<br />
i<br />
R<br />
U<br />
tensão<br />
corrente<br />
Figura 6.1 – Formas de onda de tensão e corrente em um circuito resistivo, no caso de corrente alternada<br />
i<br />
R<br />
U<br />
6.2 Indutores<br />
Os indutores, da mesma forma que os resistores, restringem a passagem da corrente. Nos indutores,<br />
porém, a responsável pela restrição não é a resistência elétrica mas a indutância.<br />
Um indutor ou bobina consiste de diversas espiras ou voltas de fio. Já vimos que, quando a<br />
corrente passa por um condutor produz em torno dele um campo magnético. A forma construtiva<br />
do indutor possibilita que os campos magnéticos produzidos em cada espira sejam somados,<br />
obtendo-se assim um campo magnético resultante mais forte, dado pelo produto entre o número<br />
de espiras e o campo magnético individual de cada espira. A energia fornecida pela fonte<br />
fica acumulada nesse campo magnético, e é dele que resulta a restrição oferecida pelo indutor à<br />
U, i<br />
tensão<br />
t<br />
corrente<br />
Figura 6.2 – Formas de onda de tensão e corrente em um circuito resistivo, no caso de corrente contínua<br />
t<br />
passagem da corrente elétrica. Podemos avaliar a intensidade dessa restrição calculando a chamada<br />
Reatância Indutiva do indutor, que é dada por:<br />
X =2.p.f.L<br />
L<br />
sendo: X - reatância indutiva em ohms [Ω];<br />
L<br />
f – freqüência da tensão aplicada em [Hz];<br />
L – indutância do indutor em Henrys [H]<br />
Diferentemente do resistor, que oferece uma mesma restrição à passagem da corrente seja<br />
qual for a freqüência, observa-se, pela equação acima, que o indutor oferecerá uma restrição que<br />
será tanto maior quanto maior for a freqüência. No caso de corrente contínua, para a qual a freqüência<br />
é zero, a reatância do indutor será zero, e a corrente que passa por ele será, nesse caso, limitada<br />
apenas pela parcela resistiva do indutor, resultante da resistência do fio utilizado em<br />
sua fabricação.<br />
Também de forma diferente da que acontece com os resistores, nos quais a tensão e a corrente<br />
estão em fase, no caso dos indutores ocorre um atraso da corrente em relação à tensão. Quando<br />
um indutor é energizado aparece imediatamente tensão em seus terminais, porém a corrente<br />
só irá aparecer depois de estabelecido o campo magnético. Para um indutor ideal, que seria<br />
aquele constituído apenas por indutância (desprezando-se a resistência do fio), esse atraso é de<br />
o<br />
90 elétricos. A figura a seguir mostra essa defasagem.<br />
i<br />
L<br />
U<br />
U, i tensão corrente<br />
Figura 6.3 – Defasagem entre as formas de onda de tensão e corrente em um circuito indutivo<br />
A característica de produção de um campo magnético no indutor com a passagem da corrente<br />
resulta na sua maior aplicação, que é a obtenção dos chamados eletroímãs. As máquinas elétricas<br />
em geral, como motores, geradores e transformadores, funcionam graças à existência de<br />
campos magnéticos produzidos por indutores. Sabemos que um ímã também produz um campo<br />
magnético, porém esse tem valor fixo. A grande vantagem do eletroímã é o fato de ser possível<br />
ajustar a intensidade do campo magnético por ele produzido, bastando para isso ajustar o valor<br />
da tensão a ele aplicada, que por sua vez irá definir a corrente que passa por ele.<br />
No instante em que um indutor é desenergizado, o campo magnético criado em torno dele se<br />
14 15<br />
t
contrai, resultanto em uma variação desse mesmo campo magnético em suas espiras. Como efeito<br />
dessa variação aparece uma tensão induzida nos terminais do indutor, ou seja, durante um<br />
pequeno intervalo de tempo existirá tensão nos terminais do indutor, embora ele já tenha sido<br />
desconectado da fonte.<br />
tensão da fonte<br />
chave fechada<br />
i<br />
tensão da fonte<br />
aparece sobre o<br />
indutor<br />
corrente<br />
zerada tensão induzida<br />
pela contração do<br />
campo aparece<br />
Figura 6.4 – Tensão induzida no indutor pela contração do campo magnético<br />
6.3 Capacitores<br />
Um capacitor consiste de duas placas condutoras separadas por um dielétrico. Ao aplicarmos<br />
tensão sobre esse componente ocorre um deslocamento de cargas para as placas, ficando<br />
uma delas carregada positivamente e a outra negativamente. A esse processo damos o nome de<br />
carga do capacitor. Como as placas estão separadas por um dielétrico, estabelece-se entre elas<br />
um campo elétrico, que armazena a energia fornecida pela fonte. À medida que o capacitor se<br />
carrega o deslocamento de cargas vai diminuindo, e vai aparecendo uma restrição à circulação<br />
da corrente. Da mesma forma que para o indutor, podemos calcular o valor dessa restrição, utilizando<br />
a equação a seguir.<br />
sendo: X -reatância capacitiva em ohms [Ω];<br />
C<br />
f – freqüência da tensão aplicada em [Hz];<br />
L – capacitância do capacitor em Farads [F]<br />
De forma similar à que acontece com o indutor, no caso do capacitor a reatância capacitiva<br />
irá variar com a freqüência, e será tanto maior quanto menor for a freqüência. No caso de corrente<br />
contínua, para a qual a freqüência é zero, a reatância do capacitor tenderá a um valor infinito,<br />
e a corrente tenderá a zero.<br />
Nos capacitores também ocorre uma defasagem entre os sinais de tensão e corrente, só que<br />
de forma oposta à que ocorre nos indutores: a corrente ficará adiantada da tensão. Quando se<br />
energiza um capacitor começa imediatamente a circular corrente por ele, resultado de seu processo<br />
de carga. A tensão, porém, só irá aparecer depois de finalizado o processo de carga e esta-<br />
belecido o campo elétrico. Para um capacitor ideal constituído apenas por capacitância (despre-<br />
o<br />
zando-se a resistência das placas), esse atraso é de 90 elétricos. A figura a seguir mostra essa defasagem.<br />
i<br />
C<br />
U<br />
U, i<br />
tensão<br />
corrente<br />
Figura 6.5 – Defasagem entre as formas de onda de tensão e corrente em um circuito capacitivo<br />
Os capacitores, conforme pode ser observado, possuem comportamento oposto ao dos indutores,<br />
já que adiantam a corrente, enquanto os indutores a atrasam. É por esse motivo que os capacitores<br />
são utilizados para compensar o efeito da utilização dos indutores, já que esses últimos,<br />
conforme já foi dito, são parte integrante da maioria das máquinas elétricas. Os capacitores<br />
são muito utilizados para efetuar a chamada “correção do fator de potência” que será discutida<br />
mais adiante.<br />
No instante em que um capacitor carregado é desenergizado, o campo elétrico criado em torno<br />
dele irá se manter e poderá dar origem a uma corrente elétrica de descarga, se o circuito estiver<br />
fechado. Se o circuito estiver aberto a carga do capacitor irá diminuir lentamente, através da<br />
corrente que circula de uma placa a outra pelo dielétrico.<br />
6.4 Impedância<br />
Vimos que, tanto o indutor como o capacitor, não são constituídos apenas de indutância ou<br />
capacitância. Em ambos os casos existe uma parcela resistiva resultante do fio utilizado para fabricação<br />
do indutor ou das placas utilizadas para fabricação do capacitor. Desta forma, tanto o<br />
indutor como o capacitor, são o resultado da associação de uma parcela resistiva com uma parcela<br />
reativa. Os indutores e capacitores de um circuito elétrico serão representados, portanto,<br />
não apenas por suas reatâncias indutivas e capacitivas, mas por uma outra grandeza, chamada<br />
Impedância. Esta grandeza engloba os efeitos das resistências parasitas ou de resistores, reatâncias<br />
indutivas e reatâncias capacitivas. O valor da impedância em um circuito é calculado por<br />
16 17<br />
t
meio da relação a seguir: onde: Z –<br />
R –<br />
X –<br />
L<br />
X –<br />
C<br />
J –<br />
impedância do circuito;<br />
resistência do circuito;<br />
reatância indutiva do circuito;<br />
reatância capacitiva do circuito;<br />
operador matemático.<br />
Figura 6.6 – Representação gráfica da resistência, reatância e impedância<br />
Anotações:<br />
,ou ainda<br />
Capítulo 7<br />
Capítulo 7<br />
Potência e Fator de Potência<br />
A potência elétrica é dada pelo produto entre a tensão e a corrente. No caso em que os sinais<br />
de corrente e tensão estiverem em fase, como ocorre com uma carga resistiva, a potência é dada<br />
por um produto escalar normal, ou seja, uma operação de multiplicação comum. Por exemplo,<br />
se os sinais de corrente e tensão estiverem em fase e se o valor da tensão for 120 [V] e da corrente<br />
10 [A], a potência elétrica será dada por:<br />
No caso de existir uma defasagem, ou seja, uma diferença de ângulo entre os sinais de tensão<br />
e corrente, a potência não pode ser mais calculada através de um produto escalar. Observe as figuras<br />
a seguir, nas quais a defasagem entre os sinais de tensão e corrente é mostrada utilizandose<br />
vetores.<br />
I<br />
U<br />
φ<br />
U<br />
(a) (b)<br />
Figura 7.1 – Defasagem entre os sinais de tensão e corrente<br />
Na figura (a) estão representados sinais de tensão e corrente em fase, e nesse caso a potência<br />
é dada por um produto escalar conforme mostrado anteriormente. Na figura (b) estão representados<br />
sinais de corrente e tensão defasados de um ângulo “φ” (o que irá ocorrer quando o circuito<br />
tiver uma parcela reativa), situação na qual a potência não poderá ser calculada através do<br />
produto escalar entre tensão e corrente, porque esses sinais têm direções diferentes. Nesse caso,<br />
para que possa ser calculada a potência, é necessário decompor o sinal de corrente em duas com-<br />
o<br />
ponentes, uma com a mesma direção da tensão e outra defasada de 90 da tensão, conforme mostra<br />
a figura a seguir.<br />
I<br />
IW<br />
IdW<br />
Figura 7.2 – Decomposição do sinal de corrente<br />
em duas componentes<br />
U<br />
Conforme mostra a figura ao lado, as componentes<br />
da corrente são IW (corrente watada)<br />
e Idw (corrente dewatada). Notar também<br />
que a soma dos vetores IW e IdW resulta na<br />
corrente total “I”. Das relações para um triângulo<br />
retângulo como o da figura pode-se obter:<br />
I W= I cos φ I dW= I sen φ<br />
Com essas duas componentes da corrente podem ser calculadas duas potências, conforme a<br />
seguir:<br />
I<br />
2 2 2<br />
I = I W + IdW<br />
18 19<br />
j
P = U.I = U.I.cos φ [W] Q = U.I = U.I.sen φ [Var]<br />
W dW<br />
A potência “P” é a chamada Potência Ativa, cuja unidade é o Watt [W] e seus múltiplos e submúltiplos.<br />
Esta potência está relacionada à parcela resistiva do circuito (corrente em fase com a<br />
tensão), e está associada à realização de trabalho útil. Já a potência Q é a chamada Potência Reativa,<br />
cuja unidade é o volt-ampére reativo [VAr], e seus múltiplos e submúltiplos. Esta potência<br />
0<br />
está relacionada à parcela reativa do circuito (corrente defasada em 90 da tensão), e está associada<br />
à produção de campos magnéticos.<br />
Essas potências, bem como a potência aparente, podem ser organizadas em um diagrama ao<br />
qual chamamos Triângulo de Potências, que é mostrado na figura a seguir.<br />
Novamente considerando as relações de Pitágoras para o triângulo da figura a seguir, pode-<br />
S<br />
Q<br />
mos obter:<br />
2 2 2<br />
P = S.cos φ Q = S.sen φ S = P + Q ,<br />
sendo:<br />
P - potência ativa ou útil<br />
j<br />
Q – potência reativa<br />
P<br />
S – potência aparente<br />
Figura 7.3 – Triângulo de potências<br />
Como a potência aparente é dada pelo produto da<br />
tensão pela corrente (U.I), podemos então escrever:<br />
P = S.cos φ = U.I.cos φ Q = S.sen φ = U.I.sen φ<br />
Esse tratamento permite uma grande facilidade no trabalho com a potência em um circuito<br />
reativo. No entanto surge um aspecto curioso. A potência que existe REALMENTE no circuito,<br />
como um ente físico, e que é dada pelo produto entre dois outros entes físicos que são a corrente<br />
e a tensão, é a potência a que chamamos aparente, nome que é inadequado, pois dá a impressão<br />
de ser algo não real. Já as potências ativa ou útil e a reativa não existem como entes físicos, já que<br />
são calculadas através do produto entre dois entes físicos (corrente e tensão) e um operador matemático<br />
(seno ou cosseno). Dessa forma elas existem apenas matematicamente, embora sejam<br />
associadas com características físicas, conforme comentado anteriormente, sendo que a potência<br />
ativa se refere ao trabalho útil e a potência reativa está associada à criação de campos magnéticos.<br />
A relação entre a potência ativa P e a potência aparente S, que no triângulo de potências corresponde<br />
ao cosseno do ângulo φ mostrado na figura anterior, é o chamado fator de potência.<br />
Este termo é utilizado porque indica a parcela da potência aparente que é convertida em potência<br />
ativa ou útil.<br />
Fator de Potência = FP = cos φ = P/S.<br />
Em um circuito resistivo, por exemplo, a corrente estará em fase com a tensão, o ângulo φ será<br />
zero, seu cosseno será 1 e seu seno será zero. Consequentemente a potência reativa (U.I.sen φ)<br />
será zero, e toda a potência aparente será convertida em potência ativa.<br />
7.1 Correção do fator de potência<br />
A utilização principal dos sistemas de geração e transmissão de energia é para produção e<br />
transporte de potência ativa, útil, aquela efetivamente capaz de realizar trabalho. Por esse motivo,<br />
a legislação fixa um valor máximo para a quantidade de potência reativa a ser produzida e<br />
transmitida em relação à potência ativa, ou seja, fixa um valor para o fator de potência, que deve<br />
ser de, no mínimo, 0,92. No caso do fator de potência de uma instalação elétrica ser inferior a esse<br />
valor mínimo, realiza-se a chamada “correção do fator de potência”, que consiste na produção<br />
localizada de potência reativa, o que é feito, na maioria dos casos, utilizando-se capacitores.<br />
Considere o exemplo a seguir.<br />
Exemplo: Uma instalação elétrica industrial tem uma potência ativa média de 1000 [kW], e<br />
uma potência reativa média de 750 [kVAr]. Calcular o fator de potência médio da instalação e a<br />
potência reativa de capacitores a instalar para<br />
elevar o fator de potência para o valor mínimo<br />
admitido pela legislação.<br />
S = 1.250 [kVA]<br />
P= 1000 [kW]<br />
2 2 2<br />
S = P + Q = 10002 + 7502 =<br />
= 1.000.000 +562.500<br />
2<br />
S = 1.562.500 S = 1.250 [kVA]<br />
FP = P/S = 1000/1250 = 0,8<br />
O triângulo de potências representativo da instalação é mostrado na figura anterior:<br />
O fator de potência do circuito é de 0,8, e deverá ser elevado para 0,92. Com isso, a potência<br />
aparente do circuito deverá passar dos atuais 1250 [kVA] para o valor calculado a seguir:<br />
Scorrigida = P/FP = 1000/0,92 = 1.087 [kVA]<br />
corrigido<br />
A nova potência reativa a ser fornecida pelo sistema elétrico será:<br />
2 2 2 2 2<br />
Q corrigida = S corrigida – P = 1.087 – 1.000 Q corrigida = 426 [kVAr]<br />
A potência reativa em capacitores a instalar deverá ser de 750 – 426 = 324 [kVAr]<br />
Q= 750 [kVAr]<br />
Figura 7.5 – Triângulo de potências do exemplo<br />
20 21<br />
j
Capítulo 8<br />
Capítulo 8<br />
O Gerador Síncrono Real<br />
Agora que já conhecemos os indutores e os eletroímãs, e que já discutimos a questão das potências<br />
em um circuito reativo, podemos mostrar como é construído um gerador síncrono, o tipo<br />
de máquina que é responsável pela geração da quase totalidade da energia elétrica produzida<br />
no mundo.<br />
No diagrama esquemático da figura 5.1, mostrada anteriormente, o rotor do gerador era<br />
constituído por um ímã fixo. Esta forma construtiva tem uma deficiência, que é a impossibilidade<br />
de se poder ajustar a intensidade do campo magnético. Em um gerador real o ímã fixo é substituído<br />
por um eletroímã, que permite o ajuste da intensidade do campo magnético, bastando<br />
para isso ajustar o valor da tensão (e consequentemente da corrente) a ele aplicada. A figura a seguir<br />
mostra o diagrama esquemático de um gerador desse tipo.<br />
Figura 8.1 – Diagrama esquemático de um gerador síncrono real<br />
Notar que o rotor desse gerador é constituído por um eletroímã, e que por esse motivo surge<br />
o chamado “circuito de excitação”, que é responsável pelo fornecimento da energia elétrica necessária<br />
à produção do campo magnético.<br />
8.1 Partes componentes principais<br />
As duas partes componentes principais de um gerador síncrono são o Rotor e o Estator. O rotor<br />
é constituído por bobinas alimentadas pelo sistema de excitação, e por um núcleo magnético<br />
que tem por função direcionar o campo magnético criado pelas bobinas. O estator também é formado<br />
por um núcleo magnético com a mesma função daquele do rotor, e por bobinas que são<br />
varridas pelo campo magnético do rotor, e nas quais aparece a tensão induzida.<br />
Além do rotor e do estator, o gerador possui também a carcaça que é a estrutura suporte do eixo<br />
e de proteção do rotor e estator.<br />
8.2 Funcionamento do gerador síncrono<br />
O circuito de excitação fornece a tensão contínua que é aplicada sobre as bobinas do rotor do<br />
gerador. Esta tensão faz com que circule corrente pelas bobinas, e que seja criado um campo<br />
magnético, passando então o rotor a se comportar como um eletroímã. Como a tensão aplicada<br />
ao rotor é do tipo contínua, o campo magnético é também contínuo, ou seja, tem valor e posição<br />
fixos.<br />
Para que apareça tensão induzida (tensão gerada), foi visto que é necessário ocorrer variação<br />
do campo magnético. O campo magnético do rotor não é variável, e para possibilitar sua variação<br />
é preciso movimentar o rotor da máquina síncrona. Isso é feito através de uma máquina primária,<br />
como por exemplo um motor a combustão ou uma turbina hidráulica. Quando o rotor é<br />
posto a girar, o campo magnético se movimenta junto com ele, e consequentemente, conforme<br />
vimos anteriormente, irá ocorrer variação do campo magnético nas espiras do estator, possibilitando<br />
o aparecimento de uma tensão induzida em suas bobinas.<br />
8.3 O gerador em carga<br />
Estando o rotor alimentado e girando, irá aparecer tensão induzida no estator. Se conectarmos<br />
uma carga aos terminais do gerador irá aparecer uma corrente, conforme mostrado na figura<br />
a seguir.<br />
S1<br />
S1<br />
G<br />
UG<br />
IC=zero<br />
ZC G<br />
(a) (b)<br />
Figura 8.2 – Estabelecimento da corrente no estator de um gerador<br />
22 23<br />
UG<br />
IC<br />
ZC
Na situação representada na figura 8.2(a), existe tensão gerada (U ), porém não há corrente,<br />
G<br />
visto que a chave S1 está aberta. Já na situação da figura 8.2(b), com o fechamento da chave S1,<br />
existe um caminho para circulação da corrente, e esta percorre a carga (Z ).<br />
C<br />
A corrente que circula pela carga, circula também nas bobinas do estator do gerador, fazendo<br />
com que apareça um campo magnético em torno dessas bobinas. A máquina passa a ter agora<br />
2 campos magnéticos, um produzido no rotor pelo sistema de excitação, e outro resultante da<br />
circulação da corrente de carga pelas bobinas do estator, conforme mostrado na figura a seguir.<br />
Figura 8.3 – Interação entre campos magnéticos do rotor e do estator<br />
Os dois campos magnéticos que se formam na máquina interagem, com um se opondo ao outro.<br />
A interação entre esses campos magnéticos resulta em forças que tornam mais difícil o giro<br />
da máquina e causam sua frenagem. Quanto maior a corrente de carga, maior a intensidade do<br />
campo magnético do estator, maior a frenagem e mais difícil girar a máquina.<br />
Se o giro da máquina é mais difícil, a tendência é a diminuição da velocidade do gerador. Se a<br />
velocidade do gerador diminui, a freqüência da tensão gerada irá diminuir, pois:<br />
onde: n - velocidade do gerador;<br />
f - freqüência da tensão gerada;<br />
P - número de pares de pólos do gerador (característica construtiva).<br />
Um fornecimento de energia com qualidade deve garantir que a freqüência seja constante.<br />
Portanto, se a corrente de carga aumenta, dificultando o giro do gerador, para manter a velocidade<br />
e a freqüência constantes deve ser aumentada a potência mecânica entregue ao gerador.<br />
No caso de um gerador acionado por uma turbina hidráulica, por exemplo, deve ser aumentada<br />
a quantidade de água que passa pela turbina.<br />
Capítulo 9<br />
Capítulo 9<br />
O gerador que estudamos até agora é do tipo monofásico, que é aquele caracterizado pela<br />
existência de um único circuito no estator, no qual irá aparecer a tensão induzida. Se construirmos<br />
um gerador com três circuitos no estator, teremos um gerador trifásico, conforme mostra a<br />
figura a seguir.<br />
bobina da fase A do estator<br />
Fase A<br />
Fase B<br />
Fase C<br />
N<br />
Circuitos Trifásicos<br />
bobina da fase B do estator bobina da fase C do estator<br />
Figura 9.1 – Diagrama esquemático de um gerador trifásico<br />
Notar que as três bobinas do estator estão equidistantemente distribuídas ao longo da peri-<br />
o<br />
feria do estator, formando um ângulo de 120 entre si. Por esse motivo os sinais elétricos em cada<br />
o<br />
uma das bobinas estarão também defasados de 120 . O pólo Norte do rotor, por exemplo, passa<br />
o<br />
pelo centro da bobina da fase A e somente 120 depois estará passando pelo centro da bobina da<br />
o<br />
fase C. A tensão que é induzida na bobina da fase A, portanto, estará 120 elétricos adiantada da<br />
tensão induzida na fase B. Se traçarmos os gráficos das tensões em cada uma das fases e depois<br />
agrupá-los em um único gráfico, obteremos o resultado mostrado na figura 9.2.<br />
A grande maioria dos sistemas de distribuição de energia, no Brasil e no mundo, é do tipo trifásico.<br />
Os consumidores residenciais, dependendo da potência instalada, poderão ser alimentados<br />
com as três fases do sistema trifásico, com duas das fases ou apenas uma delas. Quando se<br />
utilizam duas das fases do sistema trifásico é costume chamar a este sistema de alimentação de<br />
“sistema bifásico”. Existe ai uma incorreção, pois um sistema bifásico real é diferente daquele<br />
composto por duas fases de um sistema trifásico. Um sistema polifásico, seja ele de 2, 3, 4 ou ma-<br />
24 25<br />
S
Fase A<br />
Fase B<br />
Fase C<br />
90<br />
120 0<br />
Fase A<br />
180 270<br />
24 0 0<br />
Fase B<br />
360<br />
Fase C<br />
90<br />
Figura 9.2 – Formas de onda de tensão em um sistema trifásico<br />
180<br />
270<br />
360<br />
90<br />
180 270<br />
is fases, é caracterizado pela existência de um mesmo ângulo de defasagem entre suas fases, sendo<br />
esse ângulo calculado dividindo-se 360 graus pelo número de fases. Um sistema trifásico<br />
o o o<br />
tem defasagem de 120 entre fases (360 /3), e um sistema bifásico deverá ter defasagem de 180<br />
o<br />
(360 /2). Na figura a seguir representa-se, através de fasores, um sistema bifásico e duas fase de<br />
um sistema trifásico, de forma a evidenciar a diferença entre eles.<br />
180 o<br />
180 o<br />
240 o<br />
120 o<br />
(a) (b)<br />
Figura 9.3 – Sistema bifásico real (a) e “bifásico” obtido a partir de 2 fases de um sistema trifásico (b)<br />
fase 6<br />
fase 5<br />
60 o<br />
60 o<br />
60 o<br />
fase 1<br />
fase 4<br />
60 o<br />
60 o<br />
60 o<br />
fase 2<br />
fase 3<br />
Figura 9.4 – Representação fasorial<br />
de um sistema hexafásico<br />
Pode-se obter, em princípio, sistemas polifásicos compostos<br />
por qualquer número de fases, porém apenas alguns<br />
poucos encontram aplicação prática, entre esses o<br />
sistema trifásico, já discutido, e o sistema hexafásico, composto<br />
pela associação de dois sistemas trifásicos, e que é<br />
muito utilizado em retificadores de potência, utilizados<br />
para alimentação de motores de corrente contínua, carregadores<br />
de bateria e em processos de eletrólise. O sistema<br />
o<br />
hexafásico deve possuir defasagem de 60 entre suas fa-<br />
o<br />
ses (360 /6), e está representado na figura ao lado.<br />
9.1 Cargas trifásicas<br />
Uma carga que é conectada a um sistema trifásico é<br />
também uma carga trifásica, e por esse motivo será constituída<br />
de três porções iguais. Uma carga resistiva trifásica,<br />
por exemplo, será constituída por 3 resistores iguais,<br />
conforme mostra a figura ao lado.<br />
A carga resistiva da figura anterior poderá ser conectada<br />
de duas maneiras para formar um banco trifásico. A<br />
Figura 9.5 – Carga resistiva trifásica<br />
26 27
primeira delas é unindo-se o extremo inicial de uma resistência com o extremo final da próxima,<br />
conexão que recebe o nome de Delta ou Triângulo. A segunda opção de conexão é unindo-se os<br />
extremos iniciais ou finais das três resistências, conexão essa que recebe o nome de Estrela. A figura<br />
a seguir mostra estas formas de conexão.<br />
A<br />
B<br />
C<br />
A<br />
(a) (b)<br />
Figura 9.6 – Conexão de uma carga trifásica em Delta (a) e em Estrela (b)<br />
A B C<br />
A B<br />
Figura 27 – Outras formas de<br />
representação das conexões<br />
Delta (a) e Estrela (b)<br />
N<br />
A B C<br />
ia<br />
Figura 28 – Ponto de neutro<br />
em uma conexão estrela<br />
Ib<br />
C<br />
Ic<br />
Enquanto que na conexão delta não existe um ponto comum<br />
entre as 3 fases, na conexão estrela esse ponto existe, conforme<br />
se observa na figura anterior e na figura 9.7, que apresenta<br />
outras formas de representação das conexões delta e estrela.<br />
O ponto comum entre as três fases, na conexão estrela é<br />
chamado de ponto de Neutro. Em um sistema equilibrado,<br />
que é aquele no qual as cargas de cada uma das fases são iguais,<br />
o somatório das correntes das três fases da carga, no ponto<br />
de neutro, será zero; além disso, nessas mesmas condições, o<br />
potencial de neutro será nulo.<br />
Na conexão Delta a tensão entre duas das fases está aplicada<br />
diretamente sobre o resistor de uma das fases, enquanto na<br />
conexão Estrela a tensão entre duas das fases fica aplicada sobre<br />
uma composição dos resistores de duas fases. Em um sistema<br />
trifásico a tensão entre duas das fases é chamada de Tensão<br />
de Linha, enquanto que a tensão aplicada sobre um dos resistores<br />
da carga é a chamada Tensão de Fase. A figura 9.9<br />
exemplifica o que foi dito.<br />
Observando-se a figura 9.9 pode-se perceber que, no caso<br />
da conexão Delta, as tensões de linha e de fase são, na verdade,<br />
a mesma tensão. Já no caso da conexão Estrela, para compor<br />
a tensão de linha é necessária a associação de 2 tensões de<br />
B<br />
C<br />
tensão de linha<br />
A B C<br />
tensão de fase<br />
tensão de linha<br />
A B C<br />
tensões de fase<br />
Figura 9.9 – Tensões de linha<br />
e de fase nas conexões<br />
Delta (a) e Estrela (b)<br />
A B C<br />
corrente de linha<br />
A B C<br />
corrente de linha<br />
corrente de fase<br />
correntes de fase<br />
Figura 9.10 – Correntes de<br />
linha e de fase nas conexões<br />
Delta (a) e Estrela (b)<br />
fase. Cabe ressaltar que, nesse último caso é INCORRETO dizer<br />
que a tensão de linha é 2 vezes a tensão de fase. Na verdade a tensão<br />
de linha, nessa situação, é dada pela associação de duas ten-<br />
o<br />
sões de fase defasadas de 120 . Dessa forma, do ponto de vista<br />
das tensões nas conexões delta e estrela, pode-se dizer que:<br />
Conexão Delta<br />
Tensão de Linha = Tensão de Fase<br />
Conexão Estrela<br />
Tensão de Linha = 3Tensão<br />
de Fase<br />
Raciocínio análogo ao anterior pode ser feito com relação às<br />
correntes para as conexões delta e estrela. A figura 9.10 mostra as<br />
correntes de linha e de fase em cada uma das conexões.<br />
Dessa forma, do ponto de vista das correntes nas conexões<br />
delta e estrela, pode-se dizer que:<br />
Conexão Delta<br />
Corrente de Linha = 3Corrente<br />
de Fase<br />
Conexão Estrela<br />
Corrente de Linha = Corrente de Fase<br />
Se utilizarmos três resistores iguais e que suportem a aplicação<br />
de uma tensão de 220 [V], e os conectarmos em delta ou em<br />
estrela, este conjunto poderá ser alimentado com tensões diferentes.<br />
Com os três resistores em delta a tensão de alimentação<br />
(de linha) poderá ser de, no máximo, 220 [V], já que a tensão é<br />
aplicada diretamente sobre cada resistor. Esses mesmos resistores<br />
conectados em delta admitirão uma tensão de alimentação<br />
(de linha) máxima de 220x 3 = 380 [V], já que a tensão é aplicada<br />
sobre a associação de dois resistores.<br />
Tudo o que foi dito para as conexões Delta e Estrela de resistores,<br />
vale também para qualquer outro componente ou equipamento<br />
elétrico. Um transformador, cujas características discutiremos<br />
à frente, ou um gerador, por exemplo, podem ser conectados<br />
em estrela ou em delta. A característica principal, nesses casos,<br />
é a existência do ponto de Neutro na conexão estrela e a correspondente<br />
inexistência desse ponto na conexão delta. Um gera-<br />
28 29
dor com conexão delta só permite alimentação das cargas em um nível de tensão, porque as tensões<br />
de linha e de fase são iguais. Dessa forma um gerador de tensão nominal 220 [V] e conexão<br />
em delta só poderá alimentar cargas entre fases e com tensão de 220 [V]. Já um gerador de tensão<br />
nominal 220 [V] e conexão estrela permite alimentar cargas entre fases e entre fase e neutro, nas<br />
tensões de 220 [V] e 127 [V], respectivamente. As figuras a seguir exemplificam o que foi dito.<br />
220 [V]<br />
220 [V]<br />
220 [V]<br />
fase A<br />
fase B<br />
fase C<br />
Figura 9.11(a) – Tensões disponíveis em geradores com conexão delta e estrela<br />
127 [V]<br />
220 [V]<br />
220 [V]<br />
220 [V]<br />
fase A<br />
fase B<br />
fase C<br />
neutro<br />
Figura 9.11(b) – Tensões disponíveis em geradores com conexão delta e estrela<br />
Anotações:<br />
Capítulo 10<br />
Capítulo 10<br />
Os circuitos elétricos podem ficar sujeitos às mais diversas formas de falhas e defeitos, estando<br />
esses associados às mais diversas grandezas, como tensão, corrente, freqüência, temperatura<br />
e outras.<br />
Estudaremos nesse capítulo apenas duas das falhas relacionadas às correntes, que são as sobrecargas<br />
e os curtos-circuitos. Essas duas falhas ocorrem com freqüência e podem levar a grandes<br />
danos nos equipamentos e nos circuitos elétricos.<br />
10.1 Sobrecargas<br />
Os componentes e equipamentos elétricos podem trabalhar com diversos valores de corrente.<br />
O valor da corrente de trabalho é determinado pelo valor da tensão e/ou pela forma de operação.<br />
No caso de resistores, por exemplo, que são muito utilizados para aquecimento, o valor<br />
da corrente será determinado pelo valor da tensão.<br />
Quando se constrói um resistor com um fio resistivo, sua resistência deverá ser suficiente para<br />
limitar a corrente a um valor suportável pela bitola (secção) do fio, caso contrário este irá se<br />
aquecer demais e derreter. Vejamos por meio de exemplos.<br />
Exemplo 1:<br />
Calcular o valor máximo da tensão que poderá ser aplicada sobre um resistor de resistência<br />
10 [Ω], sabendo que o fio suporta uma corrente máxima de 10 [A].<br />
Do capítulo 5 sabemos que I = U/R ou U = R . I, assim:<br />
U = 10 . 10 = 100 [V]<br />
A tensão máxima que poderá ser aplicada é de 100 [V].<br />
Exemplo 2:<br />
Calcular a corrente que o fio resistivo de um resistor de 5 [Ω] deverá suportar para que ele<br />
possa ser utilizado em um sistema com tensão nominal de 220 [V].<br />
Novamente I = U/R, assim:<br />
I = 220/5 = 44 [A]<br />
Falhas em Circuitos Elétricos<br />
O fio deverá ter bitola suficiente para suportar uma corrente de 44 [A].<br />
Diferentemente dos resistores, pelos quais circula uma corrente constante, se a tensão for<br />
30 31
mantida constante, alguns equipamentos elétricos como, por exemplo, os motores solicitam<br />
uma corrente que é função de sua condição de funcionamento. O motor de uma máquina de lavar<br />
roupa, por exemplo, solicitará uma corrente tanto maior quanto maior for a quantidade de<br />
roupa que estiver sendo lavada.<br />
Se aplicarmos sobre um resistor uma tensão maior que a sua tensão nominal, ou se colocarmos<br />
em uma máquina de lavar roupa uma quantidade de roupa maior que o valor máximo, estaremos<br />
submetendo esses dispositivos ao que chamamos de sobrecarga, situação na qual o equipamento<br />
trabalha com uma corrente maior que a nominal. Nessa situação, as perdas aumentam<br />
e o equipamento se sobreaquece.<br />
Os materiais isolantes utilizados em equipamentos elétricos, em função de sua constituição,<br />
suportam temperaturas de trabalho maiores ou menores. Esses materiais isolantes são classificados<br />
segundo sua Classe de Isolamento, conforme mostra a tabela a seguir.<br />
Tabela 10.1 – Limites de temperatura por classe de isolamento.<br />
Classe de isolamento A E B F H<br />
Elevação de temperatura média admissível,<br />
0<br />
calculada pelo método da resistência [ C].<br />
Diferença de temperatura entre o ponto mais<br />
0<br />
quente e a temperatura média [ C]<br />
0<br />
Temperatura ambiente [ C]<br />
Temperatura admissível do ponto mais quente<br />
60 75 80 100 125<br />
5 5 10 15 15<br />
40 40 40 40 40<br />
105 120 130 155 180<br />
Quando um equipamento elétrico é submetido a uma sobrecarga, a temperatura máxima de<br />
trabalho do isolamento é ultrapassada, e este sofre uma deterioração de suas características.<br />
Essa deterioração é irreversível, ou seja, após um sobreaquecimento não adianta fazer a máquina<br />
trabalhar com temperaturas mais baixas tentando reverter o processo de deterioração. Além<br />
disso, ela é cumulativa, ou seja, o dano causado ao isolamento por um sobreaquecimento é agravado<br />
por um sobreaquecimento posterior. Existem diversos modelos para determinação da redução<br />
da vida útil do isolamento, mas, de forma simplificada, pode-se utilizar a Lei de Monti-<br />
o<br />
singer, que preconiza que a operação com 8 a 10 C acima da temperatura limite reduz a vida útil<br />
do isolamento pela metade.<br />
A deterioração do isolamento pode chegar a um estágio tal que este não mais suportará a solicitação<br />
da tensão normal de funcionamento da máquina, situação na qual ela acaba totalmente<br />
danificada.<br />
Nos parágrafos anteriores fizemos referência à Corrente Nominal. Mas afinal, o que é corrente<br />
nominal? A Corrente Nominal é a corrente que pode circular permanentemente por um<br />
componente ou equipamento elétrico sem que sua temperatura de trabalho ultrapasse a máxima<br />
permitida pela sua classe de isolamento. Relembrando, uma sobrecarga ocorre quando circula<br />
por um equipamento ou componente elétrico uma corrente maior que a nominal. Normalmente<br />
nessa situação o equipamento se sobre aquece, e seu isolamento é prejudicado.<br />
O tempo que a sobrecarga pode permanecer é inversamente proporcional à sua intensidade.<br />
Sobrecargas pequenas, da ordem de até 110 a 115% da corrente nominal podem permanecer por<br />
tempos longos, da ordem de vários minutos, sem que o isolamento seja danificado. Já as sobrecargas<br />
intensas devem ser rapidamente eliminadas, pois do contrário o isolamento será danificado.<br />
Consideram-se como sobrecargas as correntes que estão na faixa compreendida entre valores<br />
logo acima da corrente nominal e até da ordem de 20 vezes a corrente nominal. Valores superiores<br />
a esses já são encarados como curtos-circuitos.<br />
10.2 Proteção Contra Sobrecargas<br />
De forma a evitar que uma sobrecarga danifique o equipamento, essa deve ser identificada<br />
pelo sistema de proteção e eliminada em um tempo menor do que aquele para o qual haveria danos<br />
no isolamento do equipamento elétrico.<br />
O dispositivo utilizado para a proteção dos equipamentos elétricos contra sobrecarga, é o<br />
chamado Relé Térmico. Ele possui em seu interior uma lâmina bimetálica que é percorrida pela<br />
corrente que alimenta o equipamento a proteger. A circulação dessa corrente provoca um aquecimento<br />
da lâmina, fazendo com que ela se curve. Se o aquecimento e a curvatura forem suficientes<br />
um contato muda de posição, promovendo o desligamento do equipamento que está<br />
sendo protegido. A figura a seguir representa, simplificadamente, a forma de funcionamento<br />
de um relé térmico.<br />
corrente<br />
contato<br />
resistência de<br />
aquecimento<br />
contato fixo<br />
lâmina curvada pelo aquecimento<br />
corrente<br />
resistência de<br />
aquecimento<br />
Figura 10.1 – Relé térmico na condição normal (a) e atuada (b)<br />
32 33
tempo<br />
curva de atuação do<br />
relé térmico<br />
curva de suportabilidade<br />
corrente<br />
Figura 10.2 – Curva de atuação do relé térmico<br />
Os relés térmicos oferecem proteção efetiva<br />
para os equipamentos que eles supervisionam,<br />
já que promovem seu desligamento antes que<br />
eles se danifiquem. Para isso, no entanto, é preciso<br />
que eles reproduzam, no aquecimento de<br />
sua lâmina bimetálica, o aquecimento real do<br />
equipamento protegido, ou seja, sua curva de<br />
aquecimento deve ser similar à do equipamento<br />
que protegem. Em termos numéricos, se o<br />
equipamento a proteger suporta uma corrente<br />
de 50 [A] por um tempo máximo de 15 [s], sem que a temperatura máxima do isolamento seja ultrapassada,<br />
para essa mesma corrente o relé térmico deve atuar em um tempo menor que 15 [s].<br />
Se o tempo de atuação for maior que 15 [s], quando o relé térmico atuar o isolamento do equipamento<br />
a proteger já terá sido afetado. O gráfico anterior mostra curvas de suportabilidade térmica<br />
de um equipamento a proteger e curvas de atuação de um relé térmico.<br />
10.3 Curtos-Circuitos<br />
Os curtos-circuitos são outro tipo de falha que pode ocorrer em circuitos elétricos. O nome<br />
curto-circuito faz alusão, na verdade, a um “circuito curto” do ponto de vista da impedância,<br />
que é aquele no qual esta é muito baixa. Em um circuito nessas condições, e lembrando que a corrente<br />
é dada pela relação entre a tensão e a impedância, os valores de corrente serão muito elevados.<br />
Para que a impedância de um circuito caia para valores muito baixos é necessário que ocorra<br />
alguma alteração nas suas características, tais como falhas no isolamento, contato entre fases ou<br />
entre fases e terra, entre outros.<br />
As correntes que se estabelecem são muito altas, da ordem de dezenas ou centenas de vezes a<br />
corrente nominal, e devem ser rapidamente eliminadas, pois do contrário os danos no circuito<br />
serão muito grandes, podendo ocorrer, inclusive, incêndios.<br />
10.4 Proteção Contra Curtos-Circuitos<br />
A proteção contra curtos-circuitos é proporcionada por relés de sobrecorrente ou por fusíve-<br />
is. Os relés de sobrecorrente são dispositivos mais versáteis, de operação mais precisa, porém<br />
bastante mais caros, principalmente porque devem estar associados a um dispositivo de chaveamento,<br />
como por exemplo um disjuntor. Já os fusíveis, apesar de serem menos versáteis e exigirem<br />
substituição depois de sua atuação, o que aumenta o tempo de retorno do circuito, são de<br />
custo muito reduzido, razão pela qual são largamente utilizados.<br />
Os fusíveis consistem de um elo metálico de dimensões calculadas para suportar correntes<br />
iguais ou inferiores à sua corrente nominal. Quando a corrente nominal é ultrapassada, no entanto,<br />
o aquecimento resultante de sua circulação provoca a fusão (derretimento) do elo desligando<br />
o circuito protegido e eliminando o curto-circuito. Os fusíveis de maior capacidade de<br />
corrente possuem invólucros de porcelana, e nestes o elo é normalmente envolvido por areia de<br />
sílica que absorve o excesso de calor gerado, garantindo a integridade dos invólucros. A figura a<br />
seguir mostra as principais estruturas de um fusível.<br />
terminais<br />
Figura 10.3 – Diagrama esquemático de um fusível<br />
invólucro de<br />
porcelana<br />
elo fusível<br />
areia de sílica<br />
Além do menor preço, os fusíveis apresentam ainda uma outra vantagem relativamente aos<br />
relés de sobrecorrente, que é a elevada velocidade de operação. Os fusíveis atuam de forma muito<br />
mais rápida que os relés de sobrecorrente, diminuindo muito os efeitos danosos da circulação<br />
da corrente de curto-circuito sobre os demais componentes do circuito elétrico.<br />
Ao contrário dos relés térmicos, que por meio de sua atuação impedem que o equipamento<br />
que protegem de danifique, os fusíveis e os relés de sobrecorrente, quando atuam, protegem<br />
apenas o circuito elétrico e não o equipamento ao qual estão ligados. Se um motor elétrico entra<br />
em curto, isso ocorre porque houve falha no isolamento, e, por conseguinte, ele já está danificado.<br />
A atuação do fusível ou do relé de sobrecorrente evita que os demais componentes do circuito,<br />
como transformadores, cabos, fios, chaves e contatores, se danifiquem.<br />
34 35
Capítulo 11<br />
Capítulo 11<br />
Como vimos anteriormente, a potência elétrica é dada pelo produto entre a tensão e a potência.<br />
Para um mesmo nível de tensão, portanto, quanto maior a potência, maior a corrente.<br />
Correntes elevadas exigem componentes elétricos maiores, e por esse motivo, mais caros. A<br />
capacidade de condução de corrente de um fio ou um cabo está ligada à quantidade de material<br />
que o compõe. Quanto maior a corrente que o cabo suporta, maior deverá ser sua bitola. Isso é<br />
válido, também, para outros componentes elétricos como motores, chaves e os próprios transformadores.<br />
Outro fenômeno que está também diretamente associado à corrente são as perdas que ocorrem<br />
em um circuito elétrico. Como vimos, todos os componentes e equipamentos elétricos construídos<br />
com materiais condutores possuem resistência. Quando essa resistência é percorrida<br />
por uma corrente, nela é dissipada uma potência, dada por:<br />
onde:<br />
P- potência dissipada,<br />
R- resistência elétrica,<br />
I- corrente elétrica.<br />
2<br />
P = R x I<br />
Transformadores<br />
Toda a energia dissipada nessa resistência se transforma em calor, causando aquecimento, e<br />
como esse calor, na maior parte das vezes é indesejado, é encarado como uma perda.<br />
Observando a equação anterior percebe-se que as perdas podem ser reduzidas se a corrente<br />
puder ser reduzida, e a possibilidade para isso é o aumento da tensão. Essa é a função dos transformadores,<br />
equipamentos que permitem elevar e reduzir os níveis de tensão, e que serão objeto<br />
de estudo desse capítulo.<br />
11.1 Funcionamento do Transformador<br />
No capítulo 4 vimos que, para que apareça tensão induzida em um indutor, é necessário que<br />
haja variação de fluxo. No caso dos geradores, nos quais o campo magnético possui valor e posição<br />
constantes, a variação é conseguida fazendo-se girar o rotor. Uma outra possibilidade de<br />
conseguirmos variação do campo magnético é criando um campo magnético variável. Da mesma<br />
forma que ocorre com a corrente, que na maior parte das situações tem o mesmo formato da<br />
tensão, o campo magnético também terá o mesmo formato e comportamento da corrente. Se ele<br />
for produzido, portanto, por uma corrente alternada, terá o mesmo formato dessa corrente, sendo<br />
então variável. A figura a seguir mostra o formato do campo magnético produzido por uma<br />
corrente alternada.<br />
corrente<br />
campo magnético<br />
I, H<br />
Figura 11.1 – Aspecto do campo magnético produzido por uma corrente alternada<br />
Um campo magnético como o da figura anterior, por ser variável, será capaz de induzir tensão<br />
em um condutor, o que vem a ser o princípio de funcionamento do transformador. Um<br />
transformador é constituído de dois enrolamentos, um chamado indutor e o outro induzido. O<br />
enrolamento indutor deve ser alimentado com tensão alternada, o que dá origem à circulação<br />
de uma corrente alternada, que por sua vez produz um campo magnético alternado. Este campo<br />
magnético é direcionado, pelo núcleo do transformador, para o enrolamento induzido, onde<br />
aparece a tensão induzida. A figura a seguir mostra um diagrama esquemático de um transformador.<br />
tensão da<br />
fonte<br />
corrente<br />
tensão induzida pelo<br />
campo magnético<br />
campo magnético<br />
direcionado pelo núcleo<br />
enrolamento<br />
indutor<br />
enrolamento<br />
induzido<br />
Figura 11.2 – Diagrama esquemático de um transformador.<br />
t<br />
Conforme já foi dito, o transformador<br />
é utilizado para mudar<br />
níveis de tensão. Se ele eleva<br />
o nível de tensão ele é chamado<br />
de Transformador Elevador, ao<br />
passo que se ele reduz o nível de<br />
tensão é chamado de Transformador<br />
Abaixador. A taxa de mudança<br />
de tensão é dada pela relação<br />
entre o número de espiras<br />
dos enrolamentos indutor e induzido.<br />
Vejamos através de um<br />
exemplo.<br />
36 37
Exemplo: Um transformador tem 2000 espiras no enrolamento indutor e 4000 espiras no enrolamento<br />
induzido. Se aplicarmos 220 [V] no enrolamento indutor, qual será o valor da tensão<br />
no enrolamento induzido?<br />
A relação de tensões será dada pela relação entre o número de espiras, assim.<br />
O lado do transformador conectado à fonte passa imediatamente a ser o enrolamento indutor.<br />
Convenciona-se, ainda, chamar este lado de primário e o outro de secundário. No exemplo<br />
anterior, se alimentarmos com 220 [V] o lado de 4.000 espiras, qual será a tensão do outro lado?<br />
Os transformadores são máquinas de rendimento muito elevado, superior a 95%. Dessa forma,<br />
dentro de uma certa aproximação, pode-se dizer que as potências no primário e no secundário<br />
são iguais. Como a potência é dada pelo produto entre tensão e corrente, existirá também<br />
uma relação de transformação de correntes, que é inversa à de tensões. Dessa forma, para o<br />
transformador do primeiro exemplo, teremos:<br />
Voltando ao exemplo anterior, no caso do transformador funcionar como elevador, e sendo<br />
a corrente no primário igual a 10 [A], qual será a corrente no secundário?<br />
11.2 O Transformador em Carga<br />
Quando conectamos uma carga ao secundário do transformador, irá circular corrente por<br />
ele. Da mesma forma que acontece com o gerador, como vimos anteriormente, a circulação dessa<br />
corrente faz aparecer um campo magnético no secundário, que irá se opor ao do primário, diminuindo<br />
sua intensidade. O transformador tende a sempre manter o campo magnético no núcleo<br />
constante, e dessa forma é necessário aumentar o campo magnético do primário, o que é<br />
conseguido através de um aumento da corrente primária.<br />
Resumindo o que foi dito, se ocorre variação da carga e da corrente do enrolamento secundário,<br />
haverá um reflexo dessa variação no enrolamento primário. Um aumento da corrente do secundário<br />
causará um aumento na corrente do primário, da mesma forma que uma redução da<br />
corrente secundária causará uma redução da corrente primária.<br />
110<br />
11.3 Transformadores Trifásicos<br />
Quando estudamos os geradores vimos que é possível obter um gerador trifásico associando<br />
três geradores monofásicos. Com os transformadores isso também pode ser feito, e nesse caso<br />
são válidos os comentários feitos no capítulo 9 relativos às formas de conexão (delta e estrela).<br />
A figura a seguir mostra o digrama esquemático de um transformador trifásico.<br />
fase A<br />
fase B<br />
fase C<br />
enrolamentos<br />
indutores<br />
enrolamentos<br />
induzidos<br />
Figura 11.3 – Diagrama esquemático de um transformador trifásico<br />
Do ponto de vista das formas de conexão, podem existir diversas opções de combinação para<br />
os enrolamentos primário e secundário, que são estrela/estrela, delta/delta, estrela/delta e<br />
delta/estrela. Cada uma dessas combinações implica em diferentes características de funcionamento<br />
do transformador, tanto do ponto de vista das tensões como dos defasamentos angulares,<br />
e cada uma delas se adapta melhor a uma determinada aplicação.<br />
Uma das características principais associadas à forma de conexão é a existência ou não de<br />
um ponto de neutro, que só ocorrerá no caso das conexões estrela. Esse é o motivo de os chamados<br />
transformadores de distribuição, utilizados para rebaixar o nível de tensão para alimentação<br />
de consumidores residenciais e comerciais, apresentarem conexão estrela no lado secundário.<br />
Desta forma, existe um ponto de neutro que pode ser disponibilizado para o consumidor,<br />
além da possibilidade de atendimento na tensão de 220 [V] entre fases e 127 [V] entre fase e neutro.<br />
A variação do campo magnético no secundário de um transformador é conseguida através<br />
de um campo magnético já variável produzido no primário através de uma corrente alternada.<br />
Dessa forma, se o campo magnético produzido no primário não for variável, não haverá indução<br />
de tensão no secundário. Esse é o motivo de um transformador não funcionar em corrente<br />
contínua.<br />
38 39
40<br />
Bibliografia