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Universidade Federal Rural do Semi-Árido Departamento de Ciências Exatas e Naturais Curso: Bacharelado em Ciência e Tecnologia Disciplina: Eletricidade Básica Nome: Trabalho realizado pelos alunos Magno Monteiro e Palloma Borges para auxiliar na terceira prova de eletricidade básica. Mossoró-RN 2012 Resumo de eletricidade básica Assunto: Sistemas trifásicos e transformadores Gerador trifásico: Utiliza três enrolamentos idênticos distribuídos simetricamente formando um ângulo de 120º entre os enrolamentos. Dessa forma a tensão em cada enrolamento é igual, porém existe uma defasagem entre elas de 120º. Observe a figura abaixo: A expressão matemática da tensão é dada por: ��� = ���〈0° � � = ���〈−120° ��� = ���〈120° No diagrama fasorial as tensão pode ser feita da seguinte forma: Importante: Em qualquer instante de tempo, a soma fasorial das três tensões de fase deve ser igual a zero. ���� + � � + ��� = 0 Fazendo a soma fasorial das tensões de fase de gerador trifásico é nula, como mostra a figura abaixo: Gerador tipo Y Quando os três enrolamentos estão ligados em um único comum (Neutro) esse gerador trifásico é do tipo Y como mostra a figura abaixo. Observe o ponto “N” comum aos três enrolamentos. Os três condutores para ligar os terminais A,B e C à carga são chamados de linhas. 1º Observação: A corrente de linha é igual à corrente de fase. �� = ��� 2º Observação: A tensão de linha é igual a √3 vezes a tensão de fase. �� = √3�� Exemplo 1: Três impedâncias são ligadas em estrela, sendo cada uma do valor 4 − 3j. As impedâncias são ligadas a um gerador trifásico equilibrado com uma tensão de linha de 208 v. Calcule: a) o valor da corrente em cada impedância, b) o fator de potência, c) e a potência ativa total na carga. Solução: 1º Passo: Extraindo outros dados a partir dos dados obtidos na questão • Impedância forma retangular: � = 4 − 3j Com a impedância na forma retangular podemos colocar na forma polar: • Impedância forma polar: � = 5〈−36, 8699° " Como temos a tensão de linha, �� = 208 � podemos determinar a tensão de fase da seguinte forma: �� = √3�� �� = #$√% �� = &'( √% ≅ 120,0888 � Respondendo o item “a” Como o sistema é equilibrado a corrente em cada impedância é igual, logo como temos a tensão de fase e a impedância podemos terminar facilmente a corrente utilizando a lei de Ohm. Logo: ��* = ��& = ��% = �+, ��* = ��& = ��% = 120,0888〈0° � 5〈−36, 8699° " ��* = ��& = ��% = 24,0178〈36, 8699° . Respondendo o item “B” Sabemos que o fator de potência é dado por: /0 = 1234 , Onde Φ é o ângulo obtido na impedância que está forma polar. Assim: /0 = 123 − 36, 8699° /0 ≅ 0,8 Respondendo o item “C” Para calcularmos a potencia ativa total do circuito na carga, demos utilizar a seguinte fórmula: 0* = 0& = 0% = � × �� × 1234 0* = 0& = 0% = 24,0178 × 120,0888 × 123 − 36, 8699° 0* = 0& = 0% ≅ 2307,4150 7 Caso pedisse a potencia ativa total do circuito, teríamos que fazer o somatório das potencias ativas em cada carga, assim: 08 = 0* + 0& + 0% 08 ≅ 6922,2449 7 Sequência de fase nos geradores tipo Y A sequência de fase pode ser determinada como a ordem na qual os fasores (representam as tensões de linha) passam por um ponto fixo do diagrama de fases quando se faz girar todo o diagrama no sentido A determinação da sequência das tensões de fase também pode ser realizada a partir das tensões de linha do gerador. Geradores tipo Y ligados a cargas tipo Y As cargas ligadas a fontes trifásicas podem ser de dois tipos: • O sistema é chamado Y uma carga do tipo Y. • Quando a carga é equilibrada, o fio que liga a fonte trifásica a carga pode ser removido. Pois as impedâncias são iguais. Se Z1 = Z2 = Z3, então ia de fase nos geradores tipo Y A sequência de fase pode ser determinada como a ordem na qual os fasores (representam as tensões de linha) passam por um ponto fixo do diagrama de fases quando se faz girar todo o diagrama no sentido anti-horário. A sequência de fase é muito importante na de ligar o sistema de distribuição trifásico a uma carga. Determinação da sequência de fase a partir das tensões de fase de um gerador trifásico. A determinação da sequência das tensões de fase também pode ser realizada a partir das a do gerador. Geradores tipo Y ligados a cargas tipo Y As cargas ligadas a fontes trifásicas podem ser de dois tipos: Y ou ∆. O sistema é chamado Y-Y quando uma fonte trifásica do tipo Y está ligada a uma carga do tipo Y. equilibrada, o fio que liga a fonte trifásica a carga pode ser removido. Pois as impedâncias são iguais. então IN = 0. A sequência de fase pode ser determinada como a ordem na qual os fasores (representam as tensões de linha) passam por um ponto fixo do diagrama de fases A sequência de fase é muito importante na hora de ligar o sistema de distribuição trifásico a uma Determinação da sequência de fase a partir das tensões de fase de um gerador trifásico. A determinação da sequência das tensões de fase também pode ser realizada a partir das Y quando uma fonte trifásica do tipo Y está ligada a equilibrada, o fio que liga a fonte trifásica a carga pode ser Os sistemas do tipo Y-Y podem ser: Sistema Y-Y de três fios As três correntes de fase do gerador são iguais são iguais as três correntes de fase da carga. IΦg = IL = IΦL Como o neutro que liga a carga ao gerador é um único fio. Então a tensão é a mesma, mesmo que os geradores não sejam equilibrados VΦ = EΦ Onde: VΦ = Tensão do gerador EΦ = Tensão da carga Como ��� = #9:9 então, �� = Exemplo 2 – Questão 4 da lista ligado a uma carga trifásica em estrela. A presença do neutro e as impedâncias relativas a linha. Calcule: a) A corrente na linha; b) A tensão em cada fase da carga; c) Potência ativa absorvida pela carga; d) A potência ativa da linha; Y podem ser: As três correntes de fase do gerador são iguais as três correntes de linha, que por sua vez são iguais as três correntes de fase da carga. Como o neutro que liga a carga ao gerador é um único fio. Então a tensão é a mesma, mesmo que os geradores não sejam equilibrados. = √3 × �� Questão 4 da lista: Na figura abaixo considera-se um gerador trifásico ligado a uma carga trifásica em estrela. A presença do neutro e as impedâncias relativas A corrente na linha; A tensão em cada fase da carga; Potência ativa absorvida pela carga; A potência ativa da linha; as três correntes de linha, que por sua vez Como o neutro que liga a carga ao gerador é um único fio. Então a tensão é a mesma, se um gerador trifásico ligado a uma carga trifásica em estrela. A presença do neutro e as impedâncias relativas Solução do item a Com a tensão no gerador temos a seguinte condição: �� = 120 � Assim: �� = ��, 2;<= �� é ? @=;3ã2 ;? 1?BC? Logo: �� = �� = 120 � Aplicando a Lei de Ohm no gerador temos: �� = ��,� Mas �� = �� �� = ��,� Portanto: ��* = 120〈0° 10 + D3 = 120〈0° 10,4403〈16,6992° = 11,4939〈−16,6992° Em analogia com as outras correntes temos: ��& = 120〈120° 10 + D3 = 120〈120° 10,4403〈16,6992° = 11,4939〈103,3008° ��% = 120〈−120° 10 + D3 = 120〈−120° 10,4403〈16,6992° = 11,4939〈−136,6992° Como o sistema é em Y, temos que a corrente de linha é igual a correntede fase logo: ��* = ��* = 11,4939〈−16,6992° ��& = ��& = 11,4939〈103,3008° ��% = ��% = 11,4939〈−136,6992° Solução do item b A tensão da fase é igual à tensão do gerador, mesmo que o sistema seja desequilibrado. Logo: �� = �� = 120 � Assim: ��* = 120 �〈0° ��& = 120 �〈120° ��% = 120 �〈−120° Solução do item c Sabemos que o fator de potência é: /0 = cosH16,6992°I ≅ 0,9578 Como queremos a potencia ativa da carga, temos que: 0� = � × � × 1234 0� = 120 × 11,4939 × 0,9578 0� ≅ 1321,0629 7 Solução do item d Devemos obter o ângulo do fator de potência, assim: � = 0,05 + D0,2 → � = 0,2062〈75,9637° Logo: /0 = cosH75,9637°I ≅ 0,2425 Portanto: 0� = � × � × 1234 Mas: �� = √3 × �� �� = √3 × 120 �� ≅ 207,8461 � Por fim: 0� = 207,8461 × 11,4939 × 0,2425 0� ≅ 579,3234 7 Gerador tipo ∆ O gerador tipo ∆ é caracterizado pelos enrolamentos da figura abaixo: Nesse tipo de circuito as tensões de fases e de linha são equivalentes, ou seja, possui o mesmo valor que as tensões induzidas nos enrolamentos dos geradores. �� = ��� Com relação às correntes de fase e de linha temos a seguinte condição no gerador tipo ∆. �� = √3��� Exemplo 3 – Questão 2 da lista: Um gerador trifásico com uma tensão de linha no valor de 208 V está a alimentar uma carga em triângulo. A corrente em cada impedância da carga é de 5 A, e o fator de potência é de 0.8 em atraso, α < 0. Calcule a corrente na linha. Solução Separando os dados da questão �� = 208 � �� = 5 . /0 = 1234 = 0,8 Sabemos que: �� = ��� �� = √3��� Para determinamos a corrente de linha, basta realizar o seguinte calculo: �� = √3��� �� = √3 × 5 �� ≅ 8,6602 . Exemplo 4 – Questão 3 da lista: Três impedâncias no valor de 4+3j cada uma são ligadas em triângulo a um gerador trifásico com 240 V de tensão de linha. Calcule a corrente em cada fase, a corrente na linha, o fator de potência, e a potência ativa total na carga. Solução Separando os dados da questão ,* = ,& = ,% = 4 + D3�� = 240 � Sabemos que em um gerador tipo ∆ ou triangulo temos: �� = ��� �� = √3��� Fazendo a forma polar das impedâncias temos: ,* = ,& = ,% = 5〈36,8699° Calculando a corrente em cada fase Se �� = ��� = 240 � e como temos as impedâncias ,* = ,& = ,% = 5〈36,8699° , basta aplicar a lei de Ohm para determinar as correntes em cada fase, logo: ��* = ��*,* = 240〈0° 5〈36,8699° ≅ 48〈−36,8699° ��& = ��&,& = 240〈−120° 5〈36,8699° ≅ 48〈−156,8699° ��% = ��%,% = 240〈120° 5〈36,8699° ≅ 48〈83,1301° Calculando a corrente na linha �� = √3��� �� = √3 × 48 �� ≅ 83,1384 . Calculando o fator de potência /0 = 1234 = cos H36,8699°I ≅ 0,8 Calculando a potência ativa total na carga Para determinar a potência ativa aplicamos a seguinte fórmula: 0 = K × � × 1234 0 = 240 × 48 × cos H36,8699°I 0 ≅ 9,2160 L7 Como queremos a potencia total fornecida a carga temos que: 08 = 30 = 3 × 9,2160 L7 = 27,648 L7 Observação: Os outros tipos de ligação como, por exemplo, ∆ - ∆; Y - ∆ e ∆ - Y é resolvido aplicando as condições dos geradores de tipo ∆ e do tipo Y. Exemplo 5 – Questão 5 da lista: Para o circuito representado na figura abaixo, calcule as correntes Solução No gerador tipo ∆ temos a tensão de linha é �� = 240 �. Sabemos que a tensão fase é igual à tensão de linha no gerador tipo ∆. �� = �� = 240 � Na questão temos a impedância da carga do gerador tipo ∆. Dessa forma podemos determinar a corrente de fase, aplicando a Lei de Ohm. �� = ��,* = 240〈0° 9 + D12 = 240〈0° 15〈53,1301° ≅ 16〈−53,1301° Sabemos que: �� = √3��� ��* = √3 × 16〈−53,1301° ��* ≅ 27,7128〈−53,1301° . No gerador tipo Y temos que a tensão de linha é �� = 240 �. Assim podemos calcular a tensão de fase pela seguinte fórmula: �� = √3�� �� = ��√3 �� = 240√3 ≅ 138,5641 � Calculando a corrente de fase pela Lei de Ohm temos: �� = ��,* = 138,5641〈0° 3 − D4 = 138,5641〈0° 5〈−53,1301° ≅ 27,7128〈53,1301° Mas em um gerador tipo Y, a corrente de fase é igual a corrente de linha logo �� = ��& = 27,7128〈53,1301° Para determinar �%Aplicaremos a lei dos nós. Logo: ��% = ��* + ��& ��% = 27,7128〈−53,1301° + 27,7128〈53,1301° ��% = 16,6277 − D22,1702 + 16,6277 + D22,1702 ��% ≅ 33,2554 . Cargas trifásicas desequilibrada Quando as impedâncias das três cargas não forem iguais entre si, a soma dos fasores e a corrente no neutro �� não serão nulas, e teremos uma carga desequilibrada. Ocorrerá um desequilíbrio quando aparecer na carga um circuito aberto ou um curto- circuito. Transformadores Um transformador é constituído por dois enrolamentos disposto de tal forma que o fluxo magnético produzido por um deles age sobre o outro. Fazendo com que sejam induzido tensões nos dois enrolamentos. Como convenção: O enrolamento ligado a fonte é chamado de primário e o enrolamento ligado a carga é chamado de secundário. A relação entre as espiras do enrolamento do primário e do secundário é dada por: M = NONP Relação do número de espiras com as tensões do primário e secundário: �O �P = NO NP Relação do número de espiras com as correntes do primário e o secundário: �O �P = NQ NO Transformador real No transformador real, embora hermeticamente acoplado pelo núcleo de ferro, existe fluxo disperso tanto no primário como no secundário (veja figura (a)). • Ф*, fig. (b), produz S�* (reatância indutiva primária) • Ф&, fig. (b), produz S�& (reatância indutiva secundária). Daí, temos: • T* e T& → resistências internas dos enrolamentos primário e secundário. • De forma que, para um trafo real carregado tem: �* > �* = �& < �& Transformação de impedâncias O transformador a núcleo de ferro, conforme a figura (a) abaixo, é mostrado com uma carga ZL ligada aos terminais do secundário. Se a carga for removida, o transformador fica a vazio, I2=0; e a impedância, ZL, torna-se infinita (desde que ZL =V2 / I2). Para qualquer valor da impedância de carga ZL, a impedância secundária, vista olhando-se os terminais secundários a partir da carga, como mostra a referida figura (b) é: ,& = �&�& De igual forma, a impedância equivalente de entrada, olhando-se os terminais primários a partir da fonte, como mostra ainda a figura (b), é: ,* = �*�′* Desde que qualquer alteração na impedância de carga e na corrente do secundário reflete-se como uma alteração na corrente primária, é, algumas vezes, conveniente simplificar o transformador representando-o por um único circuito equivalente. Isto implica em refletir a impedância secundária ao primário, como: Se: ,* = �*�′* Mas: M = �*�& → �* = M�& Substituindo temos: ,* = M�&�′* Temos: M = XYXZ[ → �′* = XY \ Substituindo temos: ,* = M�&�&M Se: ,& = �&�& Então: ,* = M²,& Circuito equivalente do transformador Num trafo real de potência, o ckt equivalente é útil na solução de problemas correlatos como o rendimento e regulação em tensão do transformador. Na figura abaixo temos a representação do circuito equivalente de um transformador real carregado. Onde: B*= B& – resistências que levam em conta as perdas ôhmicas dos enrolamentos S�*= S�& – reatâncias que levam em conta a dispersão de fluxo T^ – Condutância associada às perdas no núcleo S�^ - Susceptância que leva em conta a magnetização do núcleo Sendo aplicadauma tensão ao primário, circula pelo o enrolamento uma corrente �^ , denominada corrente de excitação, composta pela corrente de perdas núcleo �′^, e pela corrente de magnetização �′′^ – lembre-se que essa corrente passa pela S�^. Para determinar a corrente de excitação basta utilizar a seguinte fórmula: • Calcula-se a admitância – (Inverso da impedância) _^ = T^ + DS�^ 2` _^ = 1, Lembre-se de analisar se estão nas unidades corretes. • Por último utiliza-se a lei de ohm para determinar a corrente de excitação: �^ = _^ �* Para calcular a corrente fornecida pela fonte, utiliza-se a leis dos nós: �* = �′* + �^ Para determinar as perdas do núcleo e do cobre, basta utilizar as seguintes fórmulas: • 0�abcd = B*�²* + B&�²& • 0+dcca = 0eú�gda = T^�²* Para determinar o rendimento do transformador, utiliza-se a seguinte fórmula: h = 0Qiíki0Qilki + 0mdckiQ Exemplo - 6 ( Questão 6 da lista): Em um transformador a perda no núcleo e a potência aparente de excitação são determinadas para o núcleo, considerando o fluxo magnético Bmax = 1,5 weber/m 2 e 60 Hz, foram Pn = 46,5 watts VI=52,5 VA e a tensão induzida foi 175/√2 Voltz, valor eficaz, com o enrolamento de 200 espiras. Determinar o fator de potência, a corrente de perdas no núcleo In e a corrente de magnetização Im. Solução: - Determinado o fator de potência: Aplicando a relação trigonométrica das potências, temos: cosHƟI = 0o cosHƟI = 46.552,5 cosHƟI ≅ 0,8857 H?@B?3?<2I → Ɵ ≅ 27,6604° Obs: O fator de potência é atrasado, pois o sistema é indutivo. - Determinando a corrente de excitação: É determinada pela potência aparente, assim: Método 1: o = �. �� 52,5 = q175√2 r . ���� ≅ 0,4243 . H=st1?�I Método 2: 0e = �. ��. cosHƟI �� = 0e�. cosHƟI �� = 46.5q175√2 r . 0,8857�� ≅ 0,4243 . H=st1?�I - Determinando a corrente de perda do núcleo: É determinada utilizando a seguinte fórmula: 0e = �. �e �e = 0e� �e = 46,5q175√2 r�e ≅ 0,3758 . H=st1?�I - Determinando a corrente de magnetização: É determinada utilizando as relações trigonométricas adequadas já que: Ɵ �e 3=;HƟI = �u �4�u = 3=;HƟI �4�u = 3=;H27,6604I. 0,4243�u ≅ 0,1970 . H=st1?�I �^ �� Ensaio de Curto-Circuito Controla-se a tensão de entrada e deixa o secundário curto-circuitado, ou seja, �& = 0. Ajusta-se a corrente ao seu valor nominal. Mede-se tensão ���, corrente , corrente ��� e potência 0��. Observe que como faz um curto na saída. Temos �& = 0 e desprezando-se o ramo em paralelo que está em curto. Obtemos: ,dv = ,�� = H T* + T&I + DHS* + S&I ,�� = #wwXww Tdv = T�� = OwwX²ww Sdv = S�� = x,²�� − T²�� Ensaio de Circuito Aberto Aplica-se a tensão nominal em um dos terminais do transformador, abre-se o outro terminal �& = 0. E se mede a tensão ��i, a corrente ��i e a potência 0�i. Desprezando-se a queda de tensão na impedância série, tem-se: Te = #²wyOwy ze = *{| = Owy #²wy ,�i ≈ ,� = {wH~I{w~ ,� = #wyXwy _d�liçãa = Xwy#wy ^i� = _²d�liçãa − z²e → S^i� = * y S^i� = *q [9r² [w² Exemplo 7 – Questão da lista 7: Um teste de circuito aberto para a validação de perdas no núcleo de um transformador de 10 kVA e 240/720 V fornece uma leitura de 60 W. A resistência medida do lado baixo do enrolamento é de 0,03 Ω e a do lado de alto é de 1,3 Ω. Calcule (a) a perda total no cobre e (b) a eficiência do transformador quando o fator de potência da carga for 0,85. Solução: a) Para determinar a perda no cobre, utiliza-se a seguinte fórmula: 0�abcd = B*�²* + B&�²& Os dados oferecidos na questão são: o = 10L�. �* = 240� = �& = 720�0�ú�gda = 607Bbili = 0,03"Bigi = 1,3" Calculando �* = �&: - Determinando �& o = �&�&10000 = 720�&�& ≅ 13,8889. - Determinando �*: �& �* = �* �&13,8889 �* = 240 720 �* ≅ 41,6667. - Aplicando a fórmula da perda do cobre temos: 0�abcd = B*�²* + B&�²& 0�abcd = 0,03H41,6667I& + 1,3H13,8889I²0�abcd ≅ 302,85547 b) Determinando a eficiência do transformador: h = 0Qiíki0Qilki + 0mdckiQ 100% h = H720IH13,8889IH0,85IH720IH13,8889IH0,85I + H302,8554 + 60I 100% h ≅ 95,9059% Exemplo 8 – Questão da lista 8: Um transformador de distribuição de 50 kVA, 2.400:240 volts, 60 Hz, tem uma impedância de dispersão de 0,72+j0,92 Ω no enrolamento de alta tensão e 0,007+j0,009 Ω no enrolamento de baixa tensão. À tensão e à freqüência nominais, a admitância Yϕ do ramo paralelo, responsável pela corrente de excitação é (0,324-j2,24) x 10-2 mΩ, quando visto do lado de baixa tensão. Desenhar o circuito equivalente (a) referido ao lado alta tensão e (b) referido ao lado de baixa tensão, e indicar as impedâncias numericamente. Transformadores Trifásicos Quando se necessita de maiores potências utilizam-se transformadores trifásicos. Sua constituição é de pelo menos três enrolamentos no primário e três enrolamentos no secundário, os quais podem estar conectados tanto em Y quanto em ∆. Os tipos de ligações são Y-Y / Y-∆ / ∆-Y e ∆-∆. Conexão tipo Y A conexão tipo Y (estrela) é formada por 3 bobinas, nas quais possuem um tipo de disposição em que possuem um ponto em comum, que é usado como neutro para aterramento e equipotencialização do sistema trifásico, ou seja, permitir o equilibrio do sistema como mostra a figura abaixo: �� = �� �� = √3�� Conexão tipo ∆ A conexão tipo ∆ (delta) é formada por 3 bobinas, nas quais possuem um tipo de disposição em que cada bobina possui um ponto em comum com as outras duas bobinas, e neste tipo de sistema não existe o neutro, devendo ser utilizado em sistemas equilibrados para o seu melhor funcionamento. �� = √3���� = �� Exemplo 10 – Questão 10 da lista: Se a tensão de fase ou do enrolamento no secundário for de 120 V, qual a tensão da linha do secundário para ligações Y e ∆. Solução: Dados: �&� = 120 � Sabemos que a tensão de linha em uma ligação ∆ é igual a tensão de fase. Logo: �&� = 120�
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