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Indaial – 2021 Máquinas Elétricas E transforMadorEs i Prof. Ridis Pereira Ribeiro 1a Edição Copyright © UNIASSELVI 2021 Elaboração: Prof. Ridis Pereira Ribeiro Revisão, Diagramação e Produção: Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri UNIASSELVI – Indaial. Impresso por: R484m Ribeiro, Ridis Pereira Máquinas elétricas e transformadores I. / Ridis Pereira Ribeiro. – Indaial: UNIASSELVI, 2021. 163 p.; il. ISBN 978-65-5663-472-2 ISBN Digital 978-65-5663-473-9 1. Engenharia elétrica. – Brasil. II. Centro Universitário Leonardo da Vinci. CDD 620 aprEsEntação Caro Acadêmico! Bem-vindo à disciplina de Máquinas Elétricas e Transformadores I! Nessa disciplina iremos estudar os aspectos relacionados aos conceitos eletromagnéticos, reatâncias, dispositivos geradores, motores, transformadores ideais e transformadores reais, transformadores trifásicos, autotransformadores, princípios de conversão eletromecânica de energia, campos girantes, enrolamentos, motores de indução e circuitos equivalentes. Utiliza-se o campo magnético como agente intermediário para realizar a conversão eletromecânica de energia em máquinas elétricas. Como já estudamos, essa conversão é realizada transformando-se energia elétrica em energia mecânica, ou, ainda, energia mecânica em energia elétrica. As máquinas elétricas rotativas são equipamentos destinados a converter energia mecânica em energia elétrica, ou vice-versa. No primeiro caso elas recebem o nome de motores elétricos e, no segundo, geradores elétricos. O processo de conversão se realiza por meio dos fenômenos estudados e consolidados pelas leis fundamentais da eletricidade e do magnetismo. Você já estudou e utilizou essas leis em Eletromagnetismo e em Conversão Eletromecânica de Energia. Essas leis são: lei da indução eletromagnética ou Lenz-Faraday, lei do circuito elétrico ou lei de Kirchhoff, lei circuital do campo magnético ou lei de Ampére, lei da força atuante sobre condutor situado em um campo magnético e a lei de Biot-Savart. A disciplina Máquinas Elétricas e Transformadores I é extremamente importante na formação do acadêmico de Engenharia Elétrica, não se pode imaginar um engenheiro que desconheça os princípios fundamentais dos motores e dos transformadores. Por esse motivo, apresentamos esse Caderno de Estudos, que destina-se a mostrar, de forma clara, objetiva e resumida esses conteúdos, entretanto, queremos ressaltar que o mesmo não substitui os livros textos clássicos recomendados para essa disciplina. Esses livros clássicos serão sugeridos para leitura ao longo desse Caderno de Estudos. Ele também servirá como uma revisão para os alunos que já tiveram um curso em máquinas elétricas ou como um livro básico para estudos iniciais nesse assunto. Em cada Unidade, é apresentado um breve sumário dos tópicos, acompanhados dos objetivos fundamentais. Em cada tópico são apresentados exemplos resolvidos para auxiliá-los nas Autoatividades. Acadêmico(a), espero auxiliar você nessa caminhada e dar uma maior visão e um maior sentimento sobre as dimensões dos problemas na área de máquinas elétricas. Você já me conhece das outras disciplinas? Não? É calouro? Enfim, tanto para você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano, há novidades em nosso material. Na Educação a Distância, o livro impresso, entregue a todos os acadêmicos desde 2005, é o material base da disciplina. A partir de 2017, nossos livros estão de visual novo, com um formato mais prático, que cabe na bolsa e facilita a leitura. O conteúdo continua na íntegra, mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com nova diagramação no texto, aproveitando ao máximo o espaço da página, o que também contribui para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel, por exemplo. Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto de nossas ações sobre o ambiente, apresenta também este livro no formato digital. Assim, você, acadêmico, tem a possibilidade de estudá-lo com versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador. Eu mesmo, UNI, ganhei um novo layout, você me verá frequentemente e surgirei para apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assunto em questão. Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas institucionais sobre os materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade, possa continuar seus estudos com um material de qualidade. Aproveito o momento para convidá-lo para um bate-papo sobre o Exame Nacional de Desempenho de Estudantes – ENADE. Bons estudos! NOTA Sugerimos a leitura e o estudo do caderno e a realização dos exercícios disponibilizados nas Autoatividades, bem como as consultas sugeridas a cada etapa. O assunto é abrangente e remete a um conteúdo repleto de detalhamentos e diferenciações que devem ser interiorizadas pelo aluno. Cada passo requer a consulta às obras consideradas básicas e nenhuma delas esgota os temas abordados. Por esta razão, sugerimos consultar as Referências, os vídeos no YouTube e as Leituras Complementares, que levarão a um maior domínio do assunto. Desejamos muito sucesso na construção desses conhecimentos! Prof. Ridis Pereira Ribeiro Olá, acadêmico! Iniciamos agora mais uma disciplina e com ela um novo conhecimento. Com o objetivo de enriquecer seu conhecimento, construímos, além do livro que está em suas mãos, uma rica trilha de aprendizagem, por meio dela você terá contato com o vídeo da disciplina, o objeto de aprendizagem, materiais complementares, entre outros, todos pensados e construídos na intenção de auxiliar seu crescimento. Acesse o QR Code, que levará ao AVA, e veja as novidades que preparamos para seu estudo. Conte conosco, estaremos juntos nesta caminhada! LEMBRETE suMário UNIDADE 1 — TRANSFORMADORES IDEAIS E REAIS ........................................................... 1 TÓPICO 1 — ANÁLISE DE CIRCUITO DE TRANSFORMADORES ........................................ 3 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................... 3 2 TRANSFERÊNCIA DE IMPEDÂNCIAS ........................................................................................ 5 3 BALANÇO DE POTÊNCIA NO TRANSFORMADOR IDEAL ................................................. 8 RESUMO DO TÓPICO 1..................................................................................................................... 10 AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 11 TÓPICO 2 — INTRODUÇÃO AOS TRANSFORMADORES REAIS ....................................... 13 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 13 2 PARÂMETROS DE UM TRANSFORMADOR REAL ............................................................... 13 RESUMO DO TÓPICO 2..................................................................................................................... 19 AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 20 TÓPICO 3 — TRANSFORMADORES REAIS ................................................................................ 23 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 23 2 TRANSFORMADORES IDEAL E REAL ...................................................................................... 23 3 APLICAÇÃO DO TRANSFORMADOR REAL ........................................................................... 27 4 CONVENÇÃO DO PONTO E POLARIDADE DAS BOBINAS .............................................. 28 5 CIRCUITO EQUIVALENTE APROXIMADO ..............................................................................33 6 COMPONENTES DO CIRCUITO EQUIVALENTE ................................................................... 37 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................ 38 RESUMO DO TÓPICO 3..................................................................................................................... 42 AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 43 REFERÊNCIAS ...................................................................................................................................... 45 UNIDADE 2 — TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS, AUTOTRANSFORMADORES, REGULAÇÃO E RENDIMENTO ......................................................................... 47 TÓPICO 1 — TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS ................................................................... 49 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 49 2 TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS E BANCOS DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS ............................................................................................................................... 49 3 CONEXÕES EM TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS .......................................................... 50 4 LIGAÇÃO EM Y-Y ............................................................................................................................. 51 5 LIGAÇÃO EM Y-∆ ............................................................................................................................. 53 6 LIGAÇÃO EM ∆-Y ............................................................................................................................. 55 7 LIGAÇÃO EM ∆-∆ ............................................................................................................................. 57 8 CONEXÃO V-V .................................................................................................................................. 59 9 TIPOS DE TRANSFORMADORES ............................................................................................... 61 RESUMO DO TÓPICO 1..................................................................................................................... 62 AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 63 TÓPICO 2 — AUTOTRANSFORMADORES ................................................................................. 65 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 65 2 VANTAGENS E DESVANTAGENS DO AUTOTRANSFORMADOR .................................. 66 3 CIRCUITOS COM AUTOTRANSFORMADORES ................................................................... 69 RESUMO DO TÓPICO 2..................................................................................................................... 73 AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 74 TÓPICO 3 — REGULAÇÃO DE TENSÃO E RENDIMENTO DOS TRANSFORMADORES ............................................................................................. 77 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 77 2 REGULAÇÃO DE TENSÃO ............................................................................................................ 77 3 DIAGRAMA FASORIAL ................................................................................................................. 79 4 RENDIMENTO .................................................................................................................................. 86 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................................ 89 RESUMO DO TÓPICO 3..................................................................................................................... 95 AUTOATIVIDADE .............................................................................................................................. 96 REFERÊNCIAS ...................................................................................................................................... 98 UNIDADE 3 — MOTORES MONOFÁSICOS, TRIFÁSICOS E DE INDUÇÃO .................... 99 TÓPICO 1 — MOTORES MONOFÁSICOS ................................................................................. 101 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 101 2 CATEGORIAS .................................................................................................................................. 103 3 PARTIDA EM FASE DIVIDIDA .................................................................................................. 106 4 PARTIDA COM CAPACITOR ...................................................................................................... 107 5 MOTOR DE POLOS SOMBREADOS ......................................................................................... 108 6 VANTAGENS E DESVANTAGENS ............................................................................................ 109 RESUMO DO TÓPICO 1................................................................................................................... 112 AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 113 TÓPICO 2 — MOTORES TRIFÁSICOS ........................................................................................ 115 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 115 2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ......................................................................................... 115 3 CARACTERÍSTICAS ...................................................................................................................... 118 4 TIPOS DE MOTORES TRIFÁSICOS .......................................................................................... 123 4.1 ROTOR GAIOLA DE ESQUILO ............................................................................................... 123 4.2 ROTOR BOBINADO .................................................................................................................. 124 4.3 SÍNCRONO TRIFÁSICO ........................................................................................................... 125 RESUMO DO TÓPICO 2................................................................................................................... 127 AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 128 TÓPICO 3 — MOTORES DE INDUÇÃO ...................................................................................... 131 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 131 2 TENSÃO INDUZIDA NO ROTOR DO MOTOR DE INDUÇÃO ........................................ 131 2.1 DESLOCAMENTO DE UM CONDUTOR, CAMPO MAGNÉTICO E TENSÃO INDUZIDA ................................................................................................................................... 131 3 ESTATOR E CAMPO MAGNÉTICO GIRANTE ...................................................................... 138 4 CONJUGADO NO MOTOR DE INDUÇÃO ............................................................................. 139 5 RELAÇÕES ENTRE CONJUGADO, VELOCIDADE SÍNCRONAE ESCORREGAMENTO DO MOTOR DE INDUÇÃO ............................................................... 141 6 ESCORREGAMENTO DO ROTOR DO MOTOR DE INDUÇÃO ....................................... 142 7 RELAÇÕES ENTRE FREQUÊNCIA, VELOCIDADE, TENSÃO E CONJUGADO INDUZIDOS NO MOTOR DE INDUÇÃO ............................................................................... 143 7.1 FREQUÊNCIA NO ROTOR ...................................................................................................... 143 LEITURA COMPLEMENTAR .......................................................................................................... 152 RESUMO DO TÓPICO 3................................................................................................................... 158 AUTOATIVIDADE ............................................................................................................................ 159 REFERÊNCIAS .................................................................................................................................... 163 1 UNIDADE 1 — TRANSFORMADORES IDEAIS E REAIS OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM PLANO DE ESTUDOS A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de: • identificar as características do transformador ideal e a relação de transformação; • analisar a transferência de impedâncias; • demonstrar o balanço de potência (entrada e saída) no transformador ideal; • especificar os parâmetros que compõem um transformador real; • indicar o circuito equivalente do transformador real; • reconhecer os métodos de determinação dos parâmetros do transformador real; • definir o circuito equivalente referido e seus parâmetros; • descrever o circuito equivalente aproximado; • identificar os componentes do circuito equivalente. Esta unidade está dividida em três tópicos. No decorrer da unidade, você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado. TÓPICO 1 – ANÁLISE DE CIRCUITO DE TRANSFORMADORES IDEAIS TÓPICO 2 – INTRODUÇÃO AOS TRANSFORMADORES REAIS TÓPICO 3 – TRANSFORMADORES REAIS Preparado para ampliar seus conhecimentos? Respire e vamos em frente! Procure um ambiente que facilite a concentração, assim absorverá melhor as informações. CHAMADA 2 3 TÓPICO 1 — UNIDADE 1 ANÁLISE DE CIRCUITO DE TRANSFORMADORES 1 INTRODUÇÃO O transformador é um circuito magneticamente acoplado e, basicamente, formado por duas bobinas isoladas eletricamente em torno de um núcleo. A transferência de energia magnética de um transformador para outro é feita pelo acoplamento magnético. A bobina que recebe a energia de uma fonte de corrente alternada (CA) é chamada de primário, e a que alimenta uma carga é chamada de secundário. Os transformadores são componentes indispensáveis para diversos tipos de sistemas de conversão de energia e muito utilizados em circuitos, desde os eletrônicos de baixa potência, de controle e transmissão e de geração de energia. Neste capítulo, você vai conhecer as características do transformador ideal e a relação de transformação, analisar a transferência de impedâncias e demonstrar o balanço de potência (entrada e saída) no transformador ideal. Características do transformador ideal e relação de transformação. Em suma, um transformador é composto por duas ou mais bobinas, em que um fluxo magnético, que é comum a elas, faz o acoplamento. O enrolamento primário do transformador, quando ligado a uma fonte de tensão alternada, gera um campo magnético alternado, cuja amplitude depende da tensão do primário, da frequência da tensão aplicada e do número de espiras. Uma parcela desse fluxo, chamado de fluxo mútuo, liga um segundo enrolamento, o secundário, ao qual induz uma tensão cujo valor depende do número de espiras do secundário, com frequência e magnitude do fluxo comum (UMANS, 2014). Quando se estabelece uma relação de proporção adequada entre o número de espiras do enrolamento primário e do enrolamento secundário, é possível obter qualquer relação de tensões ou de transformação entre a entrada e a saída do transformador. É convencional, para os transformadores, chamar de primário a entrada do transformador e de secundário a saída, porém em muitas aplicações, a energia pode ter seu fluxo nos dois sentidos (tanto de entrada, onde está conectado na rede CA para saída, quanto da saída para entrada), o que pode tornar o conceito de enrolamento primário e secundário um pouco complicado. Para ficar mais claro, pode-se utilizar a terminologia de enrolamento de alta tensão e enrolamento de baixa tensão, facilitando o entendimento do que é entrada e o que é saída (UMANS, 2014). O transformador ideal apresenta, como características básicas, duas bobinas que são acopladas por um núcleo com permeabilidade magnética infinita. As bobinas do transformador – enrolamento primário e enrolamento secundário — e o núcleo não apresentam resistência elétrica, mas um acoplamento magnético sem perdas entre elas com um material construtivo do seu núcleo sem histerese e perdas. UNIDADE 1 — TRANSFORMADORES IDEAIS E REAIS 4 Na Figura 1, a seguir, é possível verificar o conjunto de bobinas acopladas, ou seja, a representação de um transformador ideal, no qual as bobinas da esquerda (enrolamento 1) denominam-se enrolamento primário, e as bobinas da direita (enrolamento 2) são chamadas de enrolamento secundário. FIGURA 1 – TRANSFORMADOR IDEAL FONTE: Umans (2014, p. 70) As leis de Ohm, Faraday e Lenz determinam a existência e os sentidos das forças eletromotrizes induzidas e das correntes elétricas que fluem pelo transformador, como está representado na Figura 1. A lei de Lenz determina que a força eletromotriz e a corrente elétrica que são induzidas no enrolamento secundário geram linhas de força que contrariam o fluxo magnético gerado pelo enrolamento primário. Já a lei de Ohm determina o fluxo de uma corrente elétrica no enrolamento secundário, se existir uma carga conectada aos seus terminais. Por sua vez, a lei de Faraday determina a presença de forças eletromotrizes induzidas nos enrolamentos primário e secundário (CHAPMAN, 2013). Os transformadores apresentam as seguintes relações de transformação: razão ou relação de tensão e espiras. A tensão nas bobinas de um transformador é diretamente proporcional ao número de espiras das bobinas: onde: • Vp = tensão na bobina do primário; • Vs = tensão na bobina do secundário; • Np = número de espiras da bobina do primário; • Ns = número de espiras da bobina do secundário; • a = constante de transformação. Razão ou relação de tensão: TÓPICO 1 — ANÁLISE DE CIRCUITO DE TRANSFORMADORES 5 2 TRANSFERÊNCIA DE IMPEDÂNCIAS Razão ou relação de espiras: Logo: Razão ou relação de corrente: a corrente que passa pelas bobinas de um transformador é inversamente proporcional à tensão nas bobinas: onde: Ip = corrente na bobina do primário; Is = corrente na bobina do secundário. Logo: Os componentes elétricos e eletrônicos, quanto sujeitos a uma diferença de potencial (tensão), apresentam oposição à passagem de corrente, que é chamada de resistência (R), cuja unidade básica de medida é o ohm (Ω). Com a utilização de tensão alternada, surge outra resistência, que é denominada reatância. Utilizando tensão alternada, que gera uma corrente senoidal também alternada em um circuito ou sistema elétrico com oposição à circulação de corrente senoidal CA, devido à resistência e reatância, surge um fenômeno chamado impedância. Representa-se a impedância com símbolo Z, e a unidade básica de medida é o ohm (Ω). Podemos dizer, então, que a impedância é uma grandeza elétrica diretamente relacionada à oposição à corrente elétrica que um sistema apresenta, característica inerente a quase todos os elementos elétricos, inclusiveos transformadores (FOWLER, 2013). O transformador ideal tem uma propriedade importante que deve ser entendida. Para isso, vamos tomar como exemplo o caso em que se aplica uma tensão senoidal nos enrolamentos primários do transformador e se conecta uma impedância como carga nos terminais do enrolamento secundário. (UMANS, 2014). Na Figura 2, a seguir, podemos verificar um circuito simplificado do transformador descrito anteriormente. UNIDADE 1 — TRANSFORMADORES IDEAIS E REAIS 6 FIGURA 2 – CIRCUITO SIMPLIFICADO DO TRANSFORMADOR 2 FONTE: Umans (2014, p. 71) Sendo todas as correntes e tensões senoidais, elas são representadas por suas amplitudes complexas. As tensões e as correntes da Figura 2 podem ser representadas pela equação: A polaridade da corrente I 1 está entrando no terminal marcado, e a da corrente I 2 saindo dele. Por meio dessa análise, podemos expressar a seguinte equação, onde a impedância de carga Z2 relaciona-se com a tensão e a corrente do secundário. onde Z2 representa a impedância complexa da carga. Nos terminais a-b, observa-se uma impedância Z1 que pode ser expressa por: Como resultado dessa análise, podemos concluir que, nos terminais a-b, uma impedância Z2 no enrolamento secundário poderá ser trocada por outra equivalente Z1 no enrolamento primário, seguindo a seguinte equivalência: Assim, os três circuitos da Figura 3, a seguir, são indistintos, se analisados seus desempenhos a partir dos terminais a-b. Esse método de transferência de impedância de um lado para outro de um transformador é denominado “refletir a impedância” ou “referir a impedância para o outro lado”. Desse modo, as impedâncias são transferidas proporcionalmente ao quadrado da relação de espiras do transformador (UMANS, 2014). TÓPICO 1 — ANÁLISE DE CIRCUITO DE TRANSFORMADORES 7 FI G U R A 3 – C IR C U IT O S E Q U IV A LE N T E S D O T R A N SF O R M A D O R FO N T E : U m an s (2 0 14 , p . 7 1) UNIDADE 1 — TRANSFORMADORES IDEAIS E REAIS 8 Podemos concluir que, em um transformador ideal, as tensões são transformadas na razão direta da relação de espiras; as correntes, na razão inversa da relação de espiras; e, por fim, as impedâncias, na razão direta da relação de espiras ao quadrado. 3 BALANÇO DE POTÊNCIA NO TRANSFORMADOR IDEAL Para um transformador ideal, que não apresenta perdas em seus componentes, a soma das potências que entram (entrada) é sempre a mesma das potências que saem (saída) do transformador. Tem-se a seguinte equação para determinar a potência ativa de entrada Pentrada fornecida ao transformador pelo circuito do enrolamento primário. onde: • θp é o ângulo entre a tensão primária e a corrente primária. A potência ativa Psaída fornecida pelo circuito do enrolamento secundário do transformador à sua carga é descrita pela equação: onde: θs é o ângulo entre a tensão secundária e a corrente secundária. Os ângulos entre tensão e corrente, em um transformador ideal, não são afetados. Por isso, podemos afirmar que θp = θs = θ. Portanto, os enrolamentos primários do transformador ideal têm o mesmo fator de potência dos secundários (CHAPMAN, 2013). Com isso, a relação da potência que entra no circuito primário do transformador ideal com a que sai pelo circuito secundário pode ser descrita pela simples aplicação das equações de corrente e tensão. Relacionando o número de espiras com as tensões tanto no primário quanto no secundário, obtém-se a seguinte equação: Conclui-se, então, que, para os transformadores ideais, a potência de entrada é igual à de saída. Podemos, ainda, estender essa relação para as potências reativas (Q) e aparentes (S) que são descritas pelas equações: TÓPICO 1 — ANÁLISE DE CIRCUITO DE TRANSFORMADORES 9 Sugestão de leitura: Acadêmico: Você pode complementar seus conhecimentos lendo os seguintes clássicos: • FITZGERALD, A. E., KINGSLEY Jr., C. e KUSKO, A.: “Máquina Elétricas”. Editora McGrawHill do Brasil Ltda- 6ª Edição. • SLEMON, G. R. (1974): “Equipamentos Magnetelétricos: transdutores, transformadores e máquinas”. Volume I. Editora: Livros Técnicos e Científicos S.A. • BASTOS, J.P.A. (2004): “Eletromagnetismo para engenharia: estática e quase-estática”. Editora da UFSC. • ULABY, F.T. (2007): “Eletromagnetismo para engenheiros”. Editora: Bookman, Porto Alegre. • KOSOW, Irwing L. (1982): “Máquinas Elétricas e Transformadores”. Volume II. Editora Globo. 4a. edição. • FALCONE, A. G. (1979): “Eletromecânica”. Editora Edgard Blücher Ltda. RIES, W. (2007): “Transformadores: fundamentos para o projeto e cálculo” – Editora: EDIPUCRS. 1ª edição. • LOWTHER, D.A. and SILVESTER, P.P. (1986): “Computer-aided design in magnetics”. Editora: SpringerVerlag, New York. DICAS 10 Nesse tópico, você aprendeu que: • Um transformador ideal é aquele em que o acoplamento entre suas bobinas é perfeito, ou seja, todas concatenam, ou envolvem, o mesmo fluxo, o que vale dizer que não há dispersão de fluxo. • Os transformadores são componentes indispensáveis para diversos tipos de sistemas de conversão de energia e muito utilizados em circuitos, desde os eletrônicos de baixa potência, de controle e transmissão e de geração de energia. • Os transformadores são usados para abaixar ou aumentar as tensões e correntes elétricas em circuitos de consumo ou transmissão de energia elétrica. • Se um transformador abaixa uma tensão elétrica, ele automaticamente aumenta a intensidade da corrente elétrica de saída e vice-versa, mantendo sempre constante a potência transmitida, dada pelo produto da corrente pela tensão. • É convencional, para os transformadores, chamar de primário a entrada do transformador e de secundário a saída, porém em muitas aplicações, a energia pode ter seu fluxo nos dois sentidos (tanto de entrada, onde está conectado na rede CA para saída, quanto da saída para entrada), o que pode tornar o conceito de enrolamento primário e secundário um pouco complicado. • Os transformadores têm a capacidade de transmitir a energia elétrica de um circuito para o outro através de campos magnéticos, transformando os valores de tensão e de corrente ao mesmo tempo. • Os transformadores comuns são construídos com dois enrolamentos de fios de cobre, chamados de primário e secundário. Esses enrolamentos possuem diferentes números de espiras e encontram-se em volta de um núcleo de ferro, sem que haja contato físico entre eles. RESUMO DO TÓPICO 1 11 1 Explique com suas palavras o que é um transformador ideal: 2 Disserte sobre o fluxo magnético: 3 Quais são as aplicações práticas dos transformadores em engenharia elétrica? 4 Considerando um transformador ideal e suas relações envolvendo as tensões e seus enrolamentos primários e secundários, assinale a alternativa CORRETA: a) ( ) É possível obter qualquer relação de tensões entre a entrada e a saída do transformador. b) ( ) É possível obter apenas o dobro do valor de tensão em relação às tensões entre a entrada e a saída do transformador. c) ( ) É possível obter apenas o quadrado da tensão em relação às tensões entre a entrada e a saída do transformador. d) ( ) É possível obter apenas o inverso da tensão em relação às tensões entre a entrada e a saída do transformador. 5 Um transformador reduz 120 volts que chegam ao primário para 8 volts no secundário. Nesse transformador há 150 espiras no primário e 10 espiras no secundário. Qual a razão de tensão e a razão de espiras, respectivamente? a) ( ) RT = 15:10 e RE = 10:15. b) ( ) RT = 15:1 e RE = 15:1. c) ( ) RT = 1:15 e RE = 1:15. d) ( ) RT = 150:1 e RE = 150:1. 6 Um transformador com núcleo de ferro funcionando em uma linha de 120 volts tem, em seu primário, 500 espiras e, no secundário, apenas 100 espiras. Qual será atensão no secundário? a) ( ) Vp = 100 volts. b) ( ) Vp = 110 volts. c) ( ) Vp = 24 volts. d) ( ) Vp = 220 volts. 7 Um transformador tem a eficiência de 90%. Se ele fornece 198 watts de uma linha de 110 volts, qual é a corrente no primário? a) ( ) Ip = 90 A. b) ( ) Ip = 20 0A. c) ( ) Ip = 20 A. d) ( ) Ip = 2 A. AUTOATIVIDADE 12 8 Um transformador consome 160 watts de uma linha de 120 volts e libera 24 volts e 5 A. Qual é a eficiência do transformador? a) ( ) Ef = 65 %. b) ( ) Ef = 70 %. c) ( ) Ef = 75 %. d) ( ) Ef = 85 %. 13 TÓPICO 2 — UNIDADE 1 INTRODUÇÃO AOS TRANSFORMADORES REAIS 1 INTRODUÇÃO Neste capítulo, você vai estudar sobre os transformadores reais e sua modelagem por meio do circuito equivalente, destacando os elementos que compõem esse circuito, além de reconhecer os métodos de determinação destes parâmetros. Em um transformador real, a potência obtida no secundário é menor que a potência aplicada no primário devido à existência de perdas. As principais perdas existentes nesses transformadores ocorrem nos enrolamentos e no núcleo, e elas podem ser modeladas para obter um circuito equivalente. Contudo, antes de determinar o circuito equivalente que modela os transformadores reais, é necessário dar início ao estudo a partir das especificações dos parâmetros que compõem esse circuito. 2 PARÂMETROS DE UM TRANSFORMADOR REAL Um transformador é um equipamento elétrico estático que, por indução eletromagnética, transforma tensão e corrente alternadas entre duas ou mais bobinas de fio fisicamente enroladas em torno de um núcleo ferromagnético, sem mudança de frequência e defasagem. Para distinguir os enrolamentos, adota- se por convenção que o enrolamento no qual a fonte é aplicada é denominado primário, e o enrolamento no qual a carga é conectada é o secundário, conforme ilustra a Figura 4. O uso dos transformadores permite a transferência de energia em tensões adequadas para cada dispositivo, executando funções como: casamento de impedância de forma a maximizar a transferência de potência e adequações dos níveis de tensão e isolação em circuitos de potência e de partes de um circuito elétrico. 14 UNIDADE 1 — TRANSFORMADORES IDEAIS E REAIS FIGURA 4 – ESQUEMÁTICO DE UM TRANSFORMADOR REAL DE NÚCLEO DE FERRO Enrolamentos do primário Tiras de metal ferromagnético laminado Enrolamentos do secundário Fluxo magnético FONTE: Adaptado de Boylestad (2012) A diferença entre os transformadores ideais e os reais é que os ideais desprezam as perdas decorrentes da sua operação, enquanto os transformadores reais enunciam que a potência obtida no secundário do transformador é menor que a potência aplicada ao primário, devido à consideração das perdas existentes. Isso significa que um modelo mais completo deve levar em consideração os efeitos das resistências dos enrolamentos, os fluxos dispersos e as perdas relativas às correntes de magnetização do núcleo (UMANS, 2014). As principais perdas existentes em um transformador real ocorrem nos enrolamentos e no núcleo. As perdas nos enrolamentos primário e secundário ocorrem por causa das resistências ôhmicas dos fios, representadas por (RP) e (RS), respectivamente, em que parte da energia é convertida em calor por efeito Joule, causando perdas denominadas de perdas no cobre. Entretanto, para as perdas no núcleo, têm-se as perdas por dispersão de linhas de campo magnético, por histerese do material e pelas correntes parasitas de Foucault, que ao serem induzidas no núcleo o aquecem, reduzindo o fluxo magnético. A seguir, vamos analisar cada uma dessas perdas. Analisando a Figura 1, pode-se observar que, ao aplicar a tensão vp(t) nas espiras do primário do transformador, devido ao fluxo produzido pela passagem da corrente é induzida uma tensão no enrolamento (eind), enunciada pela lei de Faraday, dada pela Equação 1 (CHAPMAN, 2013). Isolando o fluxo médio presente no enrolamento primário do transformador obtêm-se a Equação 2, que demonstra que esse fluxo médio no enrolamento é proporcional à integral da tensão aplicada ao enrolamento e que a constante de proporcionalidade é equivalente ao número de espiras do enrolamento primário (CHAPMAN, 2013). TÓPICO 2 — INTRODUÇÃO AOS TRANSFORMADORES REAIS 15 Ao analisarmos o efeito que esse fluxo tem sobre o enrolamento secundário do mesmo transformador, observa-se que, para os transformadores reais, uma parte do fluxo produzido na bobina primária não passa pela bobina secundária. Isso se deve ao fato de que algumas linhas de fluxo deixam o núcleo de ferro, passando através do ar, caracterizado como fluxo de dispersão, como mostra a Figura 5. Assim, o fluxo na bobina primária do transformador pode ser dividido em duas componentes: um fluxo mútuo, que permanece no núcleo e concatena (enlaça) ambos os enrolamentos, e um pequeno fluxo de dispersão (CHAPMAN, 2013). FIGURA 5 – FLUXOS CONCATENADOS E MÚTUO EM UM NÚCLEO TRANSFORMADOR FONTE: Champman (2013, p. 79) No enrolamento primário, o fluxo disperso induz uma tensão que se soma àquela produzida pelo fluxo mútuo. Como a maior parte do caminho do fluxo disperso está no ar, esse fluxo e a tensão induzida por ele variam linearmente com a corrente primária i P(t), podendo, assim, ser representado por uma indutância de dispersão do primário. A correspondente reatância de dispersão do primário (XP) é dada pela Equação 3 (UMANS, 2014). 16 UNIDADE 1 — TRANSFORMADORES IDEAIS E REAIS Esse mesmo fenômeno ocorre no enrolamento secundário (XS). Quanto menores forem os fluxos de dispersão de um transformador, mais próxima estará a razão entre as tensões totais desse transformador em comparação ao transformador ideal. Para quantificar as demais perdas no núcleo, vamos iniciar a análise pela fonte de tensão CA conectada ao enrolamento primário vp(t), como demonstrado na Figura 1. Uma corrente flui no circuito primário i P(t), e é responsável por produzir fluxo em um núcleo ferromagnético real. Contudo, esta corrente pode ser decomposta em duas componentes: • Corrente de magnetização (I m): necessária para produzir o fluxo no núcleo do transformador. • Corrente de perdas no núcleo (IC): responsável pelas perdas por histerese e por corrente parasita no núcleo. A corrente de excitação do transformador pode ser tratada como uma corrente senoidal I φ, e é simplesmente a soma da corrente de magnetização e a corrente de perdas no núcleo, como ilustra a Equação a seguir: Essas perdas do núcleo são representadas por meio de um ramo em derivação conectado à fonte de tensão, chamado de ramo de excitação, em que as perdas caracterizadas pelas perdas por histerese e por corrente de Foucault são modeladas por uma resistência RC, chamada de resistência de magnetização. Em paralelo à (RC), representa-se a indutância de magnetização (LM), cuja reatância, conhecida como reatância de magnetização (Xm), é dada pela Equação a seguir: Diante do exposto, qualquer modelo que represente o comportamento de um transformador real deve ser capaz de levar em consideração as perdas existentes. Assim, os parâmetros que devem ser incluídos na construção desse modelo são os seguintes (CHAPMAN, 2013). • Perdas no cobre (RI2): são as perdas ocorridas por causa do aquecimento resistivo nos enrolamentos primário e secundário do transformador. Elas são proporcionais ao quadrado da corrente nos enrolamentos. Perdas por corrente parasita: são perdas que ocorrem devido ao aquecimento resistivo no núcleo do transformador. Elas são proporcionais ao quadrado da tensão aplicada ao transformador. Perdas por histerese: estão associadas à alteração da configuração dos domínios magnéticos no núcleo durante cada semiciclo. Elas são umafunção não linear, complexa, da tensão aplicada ao transformador. Fluxo de dispersão: os fluxos ∅DP e ∅DS que escapam do núcleo e passam por meio de apenas um dos enrolamentos do transformador são fluxos de dispersão, que se dispersaram e produzem uma indutância de dispersão nas bobinas primária e secundária. Seus efeitos devem ser levados em consideração. Introdução aos transformadores reais 5 Uma vez apresentados os parâmetros TÓPICO 2 — INTRODUÇÃO AOS TRANSFORMADORES REAIS 17 responsáveis pelas perdas dentro do transformador real, na próxima seção você verá os principais modelos de transformadores: circuito equivalente, circuito equivalente referenciado (aos lados do transformador) e circuito equivalente aproximado. Circuito equivalente de um transformador real. As perdas existentes em um transformador podem ser modeladas para obter um circuito equivalente capaz de representar um transformador real. Essas perdas serão analisadas uma de cada vez e seus efeitos serão representados no modelo do transformador. Iniciaremos pelas perdas no cobre, que são perdas resistivas que ocorrem nos enrolamentos primário e secundário do núcleo do transformador, e modeladas por meio de uma resistência (RP) no circuito primário do transformador e uma resistência (RS) no circuito secundário. Em seguida, modelam-se as perdas por dispersão de fluxo, representadas por uma reatância no primário (XP) e no secundário (XS), ambas em série com as respectivas perdas resistivas. Em paralelo ao ramo primário, cria-se o ramo de magnetização do transformador, responsável pelo modelamento das perdas de magnetização do núcleo. Esse ramo é composto pela resistência que quantifica as perdas por histerese e perdas no núcleo, dada por (RC) em paralelo à reatância de magnetização (XM), resultante da corrente de magnetização. O circuito equivalente resultante é mostrado na Figura 6, onde: RP e RS — resistências que representam as perdas ôhmicas nos enrolamentos primários e secundários; XP e XS — reatâncias que representam a dispersão de fluxo nos enrolamentos primários e secundários; RC — resistência que representa as perdas no núcleo (perdas por histerese e por correntes parasitas (Foucault); XM — reatância que representa as perdas de correntes de magnetização do núcleo; VP — tensão aplicada ao enrolamento primário; VS — tensão aplicada ao enrolamento secundário; 6 Introdução aos transformadores reais; I P — corrente circulando no enrolamento primário; I S — corrente circulando no enrolamento secundário; NP — número de espiras no enrolamento primário; NS — número de espiras no enrolamento secundário; E1 — tensão induzida no primário pelo fluxo mútuo resultante; E2 — tensão induzida no secundário pelo fluxo mútuo resultante. FIGURA 6 – MODELO DE UM TRANSFORMADOR REAL FONTE: Chapman (2013, p. 88) 18 UNIDADE 1 — TRANSFORMADORES IDEAIS E REAIS Aprofunde seus conhecimentos lendo estes textos: https://www.feis.unesp.br/Home/departamentos/engenhariaeletrica/lqee1668/boletim-20.pdf https: / /ediscipl inas .usp.br/pluginf i le .php/1614769/mod_resource/content/2/ TransfomadoresTeo2_2016.pdf DICAS 19 RESUMO DO TÓPICO 2 Nesse tópico, você aprendeu que: • O transformador é um dispositivo elétrico que apresenta uma relação próxima com as máquinas elétricas. Ele converte energia elétrica CA de um nível de tensão em energia elétrica CA de outro nível de tensão. • Os transformadores são estudados junto aos geradores e motores, porque os transformadores funcionam com base nos mesmos princípios, ou seja, dependem da ação de um campo magnético para que ocorram mudanças no nível de tensão. • No cotidiano da vida moderna, os geradores, motores e transformadores estão presentes em todos os lugares. • Em um transformador real, a potência obtida no secundário é menor que a potência aplicada no primário devido à existência de perdas. • As principais perdas existentes nesses transformadores ocorrem nos enrolamentos e no núcleo, e elas podem ser modeladas para obter um circuito equivalente. • Os parâmetros do circuito equivalente podem ser determinados por meio de dois testes: (i) teste em vazio ou em circuito aberto e (ii) teste em curto-circuito 20 1 O que é um transformador real? 2 Qual a diferença entre os transformadores ideais e os reais? 3 Quais são as funções de um transformador? 4 As perdas de um transformador real podem ser modeladas e representadas por um circuito elétrico equivalente, conforme a figura a seguir. AUTOATIVIDADE FONTE: A autora (2021). Com base no circuito equivalente de um transformador real, analise as sentenças a seguir: I- R1 e jX1 representam as perdas pela resistência elétrica do enrolamento primário. II- R2’ e jX2’ representam as perdas pela resistência elétrica do enrolamento secundário. III- Rm representa perdas que ocorrem no núcleo do transformador, como, por exemplo, as que são decorrentes de correntes de Foucault. Assinale a alternativa CORRETA: a) ( ) As sentenças I, II e III estão corretas. b) ( ) As sentenças I e II estão corretas. c) ( ) Somente a sentença II está correta. d) ( ) Somente a sentença III está correta. 21 5 Com base nas perdas existentes em um transformador, analise as sentenças a seguir. I- Apesar da alta permeabilidade do material do núcleo de um transformador, parte do fluxo magnético circula ao redor dos enrolamentos, o que ocasiona as perdas denominadas perdas por dispersão. II- As perdas por histerese magnética são provocadas pela saturação do núcleo, ou seja, chega-se a um ponto em que o núcleo não consegue mais conduzir linhas de fluxo magnético. III- As perdas por Foucault ocorrem pelo fato de o material do núcleo ser bom condutor de corrente elétrica. Desse modo, o campo magnético, que atravessa o núcleo, induz correntes parasitas que ocasionam perdas devido ao seu aquecimento. Assinale a alternativa CORRETA: a) ( ) Somente a sentença I está correta. b) ( ) As sentenças I e II estão corretas. c) ( ) As sentenças I e III estão corretas. d) ( ) As sentenças II e III estão corretas. 6 Um transformador de 110kVA e 1.100/220V alimenta uma carga nominal com fator de potência unitário em 220V. As reatâncias de dispersão dos lados de alta e baixa tensões valem, respectivamente, 0,3Ω e 0,012Ω. Desprezando-se a corrente de magnetização e as perdas ôhmicas, o módulo da tensão, em volts, nos terminais do lado de alta tensão vale aproximadamente quanto? a) ( ) 1100. b) ( ) 1102. c) ( ) 1105. d) ( ) 1107. 7 Os ensaios em vazio e de curto-circuito são realizados nos transformadores com o objetivo de levantar os seus parâmetros, permitindo que seja montado o seu circuito equivalente. Considere um transformador monofásico de 10kVA, 1.000V/100V, que foi submetido aos dois ensaios, cujos resultados são apresentados a seguir: Ensaio em vazio: Vo=100V, Io=2A, Po=10W Ensaio em curto: Vcc=20V, Icc=100A, Pcc=1.000W 22 Diante do exposto, assinale a alternativa CORRETA com a reatância de magnetização do transformador aproximada, referida ao lado de alta tensão, em ohms: a) ( ) 5000. b) ( ) 6000. c) ( ) 1000. d) ( ) 2000. 23 TÓPICO 3 — UNIDADE 1 TRANSFORMADORES REAIS 1 INTRODUÇÃO O transformador tem a função de converter energia elétrica de corrente alternada (CA) de um nível de tensão para outro, por meio da geração de um campo magnético — a energia elétrica CA de certa frequência e certo nível de tensão em energia elétrica CA com a mesma frequência, porém com nível de tensão diferente. Quando se despreza as perdas existentes durante o funcionamento dos transformadores, eles são considerados transformadoresideais, porém, na prática, os que usamos não são ideais, isto é, são transformadores que apresentam perdas durante seu funcionamento e chamados de reais. Os transformadores se tornaram muito importantes no nosso dia a dia, pois, sem eles, não seria possível usar energia elétrica em muitas atividades. Podemos tomar como exemplo um sistema moderno de energia elétrica que gera energia com níveis de tensões bem altos (normalmente de 12 kV a 25 kV), porém a transmissão de energia à longa distância é feita com um nível de tensão entre 110 kV a 1000 kV para minimizar as perdas. Quem faz essa elevação nos níveis de tensão são os transformadores (CHAPMAN, 2013). Neste tópico, você será capaz de apontar as diferenças entre os transformadores ideal e real, descrever a aplicação de transformadores reais e definir a convenção do ponto e a polaridade das bobinas. 2 TRANSFORMADORES IDEAL E REAL Um transformador é composto por duas ou mais bobinas, em que um fluxo magnético, que é comum a elas, faz o acoplamento. O enrolamento primário do transformador, quando ligado a uma fonte de tensão alternada, gera um campo magnético alternado, cuja amplitude depende da tensão do primário, da frequência da tensão aplicada e do número de espiras. Uma parcela desse fluxo, chamado de fluxo mútuo, liga um segundo enrolamento, o secundário, ao qual induz uma tensão cujo valor depende do número de espiras do secundário, com frequência e magnitude do fluxo comum (UMANS, 2014). Quando falamos em transformador ideal, consideramos que o núcleo que faz o acoplamento das bobinas tem sempre permeabilidade magnética infinita, e as bobinas do transformador e o núcleo não apresentam resistência elétrica alguma, definindo um acoplamento magnético sem perdas entre as bobinas com um material construtivo do seu núcleo sem histerese e sem perdas no 24 UNIDADE 1 — TRANSFORMADORES IDEAIS E REAIS núcleo (CHAPMAN, 2013). Com um transformador ideal, quando se estabelece uma relação de proporção adequada entre as espiras dos enrolamentos, é possível obter qualquer relação entre sua entrada e saída, pois não há perdas durante o processo. Então, segue o seguinte equacionamento em suas relações de transformação: a tensão nas bobinas de um transformador é diretamente proporcional ao número de espiras das bobinas. onde: • Vp = tensão na bobina do primário; • Vs = tensão na bobina do secundário; • Np = número de espiras da bobina do primário; Ns = número de espiras da bobina do secundário. Razão ou relação de espiras: Razão ou relação de tensão: Logo: A corrente que passa pelas bobinas de um transformador é inversamente proporcional à tensão nas bobinas: onde: • Ip = corrente na bobina do primário; • Is = corrente na bobina do secundário. Logo: TÓPICO 3 — TRANSFORMADORES REAIS 25 Esses transformadores ideais, obviamente, não podem ser construídos na prática, onde o que temos são os transformadores reais que apresentam duas ou mais bobinas constituídas por um fio enrolado em torno de um núcleo composto por material ferromagnético. Ali, o núcleo que faz o acoplamento das bobinas não tem permeabilidade magnética infinita, e as bobinas do transformador e o núcleo apresentam sempre alguma resistência elétrica, gerando um acoplamento magnético sempre com perdas entre as bobinas. O material construtivo do seu núcleo tem a presença de histerese, além de perdas. Sendo assim, os transformadores reais têm características semelhantes às dos ideais até certo ponto. A Figura 7, a seguir, apresenta um diagrama esquemático de um transformador real. FIGURA 7 – TRANSFORMADOR REAL FONTE: Chapman (2013, p. 77) Podemos observar um transformador real com duas bobinas de fio enroladas em torno de um núcleo. O enrolamento da bobina primária está ligado a uma fonte de tensão CA, enquanto o enrolamento da bobinada do secundário está em aberto. A lei de Faraday caracteriza o equacionamento do funcionamento do transformador da seguinte forma: onde: 𝜆 é o fluxo concatenado na bobina em que a tensão está sendo induzida. O fluxo concatenado 𝜆 pode ser equacionado pela soma do fluxo que flui por cada espira da bobina, somado ao fluxo de todas as outras espiras da mesma bobina. 26 UNIDADE 1 — TRANSFORMADORES IDEAIS E REAIS É importante ressaltar que o fluxo concatenado total de uma bobina não é apenas o somatório do fluxo das espiras da bobina. Isso porque o fluxo que passa por cada uma das espiras é sensivelmente diferente das outras espiras, dependendo da posição de cada uma dentro da bobina. Por isso, é relevante utilizarmos sempre um fluxo médio por espiras em uma bobina. onde: 𝜆 é o fluxo concatenado de todas as espiras da bobina; N é o número de espiras. Assim, podemos escrever a lei de Faraday da seguinte forma: Enfim, podemos observar, na Figura 8 a seguir, a curva de histerese para um transformador real. FIGURA 8 – CURVA DE HISTERESE DE UM TRANSFORMADOR REAL FONTE: Chapman (2013, p. 77) TÓPICO 3 — TRANSFORMADORES REAIS 27 3 APLICAÇÃO DO TRANSFORMADOR REAL A utilização de transformadores, na prática, ocorre apenas com os reais, e sua operação demonstra algumas características que não são apresentadas no modelo do transformador ideal. Quando aplicamos uma tensão no enrolamento da bobina primária de um transformador ideal, será induzida uma tensão no enrolamento da bobina secundária. No entanto, estando o secundário em aberto, sem carga conectada a ele, não existirá corrente circulando nele. Nesse caso, devido à relação entre as correntes do primário e do secundário ser inversamente proporcional ao número de espiras, pode-se afirmar que também não haverá corrente circulando na bobina do enrolamento primário. Contudo, na prática, com a aplicação de um transformador real, é constatada a presença de uma corrente no primário do transformador real, pois ele é uma bobina que tem uma impedância com uma corrente no primário, quando recebe uma tensão até mesmo quando o secundário não tem carga conectada a ele. Os transformadores reais, quando em operação, apresentam aquecimento nos enrolamentos tanto na bobina primária quanto na secundária. Além disso, o núcleo aquece, dissipando um percentual da potência de entrada no próprio transformador, o que faz com que os transformadores reais, na prática, nunca tenham uma eficiência de cem por cento. Com relação à tensão no enrolamento secundário do transformador real, quanto maior a carga aplicada no secundário, menor será a tensão e maior a corrente no secundário, mesmo não variando a tensão aplicada ao primário. Assim, no transformador real, as tensões do primário e do secundário variam de acordo com a carga aplicada ao secundário, e não só pela relação de espiras. A transmissão e distribuição de energia elétrica são aplicações de extrema importância no uso dos transformadores reais. A transmissão de energia elétrica, por exemplo, é feita em alta tensão, com o uso de transformadores nas subestações elevadoras (Figura 9), utilizados para elevar a magnitude das tensões geradas nas usinas. FIGURA 9 – SUBESTAÇÃO ELEVADORA FONTE: <https://www.shutterstock.com/pt/image-photo/power-transformer-electrical-energy- transfer-end-1472471696>. Acesso em: 13 abr. 2021. 28 UNIDADE 1 — TRANSFORMADORES IDEAIS E REAIS Para ser utilizada nas residências, a energia deve ser novamente reduzida. Essa redução de tensão é feita pelo transformador de distribuição, como o mostrado na Figura 10, a seguir, comumente encontrado em instalações em postes. FIGURA 10 – TRANSFORMADOR DE DISTRIBUIÇÃO FONTE: Umans (2014, p. 77) 4 CONVENÇÃO DO PONTO E POLARIDADE DAS BOBINAS A Figura 11, a seguir, apresenta um transformador real com uma carga conectada ao enrolamento da bobinada secundária. Sãomostrados os pontos nos enrolamentos do transformador, por meio dos quais é possível determinar a polaridade das correntes e tensões no núcleo, sem a necessidade de observar fisicamente seus enrolamentos. TÓPICO 3 — TRANSFORMADORES REAIS 29 FIGURA 11 – TRANSFORMADOR REAL FONTE: Chapman (2013, p. 77) Como significado físico da convenção, uma corrente entrando pelo terminal de um enrolamento com ponto produz uma força magnetomotriz positiva. Por sua vez, no caso de uma corrente entrando pelo terminal ponto, é gerada uma força magnetomotriz negativa (UMANS, 2014). Duas correntes ou mais correntes entrando nos terminais dos enrolamentos com ponto produzem forças magnetomotrizes que se complementam, ou seja, que podem ser somadas. Por outo lado, se uma corrente sair por um terminal com ponto quando outra estiver entrando por outro terminal também com ponto, elas se suprimem, ou seja, as forças magnetomotrizes geradas podem ser subtraídas uma da outra, mantendo o sentido daquela de maior nível (CHAPMAN, 2013). Ainda analisando a Figura 5, podemos afirmar que a corrente do enrolamento da bobina primária gera uma força magnetomotriz positiva: e a corrente do enrolamento da bobina secundária gera uma força magnetomotriz negativa .Assim, é possível calcular a força líquida por meio da aplicação da seguinte equação: Os transformadores podem ser representados por circuitos equivalentes quando levadas em conta as resistências dos enrolamentos, a dispersão dos fluxos e as correntes de excitação. Para conhecer a equivalência de circuitos ao transformador, precisamos analisar as circunstâncias em que o transformador será aplicado. Em alguns casos, devemos levar em conta as capacitâncias dos enrolamentos, como em transformadores que trabalham em alta frequência. Os transformadores reais podem ser representados por circuitos equivalentes que consideram todas suas características, gerando um circuito complexo, ou somente o que é de interesse de cada aplicação, tendo como resultado um circuito mais simplificado. Neste capítulo, você será capaz de definir o circuito equivalente referido e seus parâmetros, descrever o circuito equivalente aproximado e identificar os componentes do circuito equivalente. 30 UNIDADE 1 — TRANSFORMADORES IDEAIS E REAIS Circuito equivalente referido e seus parâmetros Na análise de um transformador, devemos observar as diferenças entre o real e o ideal, que existem em maior ou menor complexidade, dependendo do desempenho do transformador em análise. Se considerarmos um modelo mais fiel a um transformador real, devemos levar em conta não só as resistências existentes nos enrolamentos (primário e secundário), mas também a permeabilidade existente no núcleo, assim como presença de dispersão dos fluxos (CHAPMAN, 2013). Para descrever o circuito equivalente aproximado do transformador, iniciaremos analisando o enrolamento primário, onde podemos dividir o fluxo total que concatena o enrolamento em duas componentes: fluxo mútuo e fluxo disperso. O fluxo mútuo resultante que aparece nos núcleos de ferro é gerado a partir da combinação das correntes que circulam nos enrolamentos primários e secundários. Já o disperso do primário concatena somente o próprio enrolamento primário. Essas correntes podem ser observadas na Figura a seguir. FIGURA 12 – FLUXOS DO TRANSFORMADOR FONTE: Umans (2014, p. 77) TÓPICO 3 — TRANSFORMADORES REAIS 31 FIGURA 13 – CIRCRUITO EQUIVALENTE A presença do fluxo disperso induz, no enrolamento primário, uma tensão que é somada àquela gerada pelo fluxo mútuo, o qual, junto de sua tensão induzida, é linear e diretamente proporcional à corrente no primário. Dessa forma, levando em conta a resistência do primário, é possível equacionar a reatância de dispersão no primário com a seguinte expressão: onde: Ll1 é a indutância de dispersão no primário; Xl1 é a reatância de dispersão no primário. Podemos descrever bem a tensão no primário dividindo-a em três: queda na resistência do primário, queda devido ao fluxo disperso do primário e força eletromotriz induzida pelo fluxo mútuo resultante no primário. Na Figura a seguir é mostrado um circuito equivalente do enrolamento primário com essas tensões. FONTE: Umans (2014, p. 77) Considerando a corrente de excitação equivalente, devemos levar em conta a resistência de perdas do núcleo e a indutância de magnetização Lm. Assim, temos, na equação a seguir, o equacionamento da reatância de magnetização e, na Figura a seguir, o circuito equivalente. 32 UNIDADE 1 — TRANSFORMADORES IDEAIS E REAIS FIGURA 14 – CIRCUITO EQUIVALENTE COM CORRENTE DE EXCITAÇÃO FONTE: Umans (2014, p. 75) Em suma, podemos considerar que um transformador real equivalente a um transformador ideal com a presença de impedâncias externas, podendo, assim, referenciar todas as grandezas ao primário ou ao secundário, conforme a Figura a seguir. FIGURA 15 – CIRCUITO EQUIVALENTE COM REPRESENTAÇÃO DAS GRANDEZAS FONTE: Umans (2014, p. 75) O transformador ideal, no circuito equivalente, pode ser deslocado tanto à direita quanto à esquerda. Desse modo, podemos representar um circuito equivalente geral sem a representação do transformador ideal e com todas as tensões, correntes e impedâncias referenciadas, conforme mostra a Figura a seguir: TÓPICO 3 — TRANSFORMADORES REAIS 33 FIGURA 16 – CIRCUITO EQUIVALENTE INTEGRAL FONTE: Umans (2014, p. 75) 5 CIRCUITO EQUIVALENTE APROXIMADO Os transformadores, basicamente, têm a função de converter energia elétrica alternada (CA) de um nível de tensão para outro por meio da geração de um campo magnético, a energia elétrica CA de certa frequência e nível de tensão em energia elétrica CA com a mesma frequência, porém com nível de tensão diferente, mas eles podem ser utilizados em diferentes aplicações. Quando utilizamos na prática, são transformadores que apresentam perdas durante o seu funcionamento, resistências e capacitância em suas bobinas, dispersão no fluxo mútuo, entre outras diferenças dos circuitos considerados ideais (UMANS, 2014). Os modelos dos transformadores podem ser, muitas vezes, muito mais complexos do que o necessário para se atingir resultados suficientemente bons a quase todas as aplicações práticas. Se considerarmos as correntes de carga dos transformadores, a de excitação do transformador é extremamente pequena – por volta de 2 a 3 por cento da corrente de carga quando o transformador está à plena carga. Por esse motivo, podemos utilizar um circuito equivalente que funcione praticamente igual ao do modelo original do transformador, porém muito mais simplificado (CHAPMAN, 2013). Para alguns modelos, podemos deslocar o ramo de excitação para frente do transformador e colocar a impedância do enrolamento primário em série com a impedância do enrolamento secundário. Dessa maneira, podemos somar as impedâncias, criando um circuito equivalente bem próximo do modelo original do transformador, onde RC modela aproximadamente a corrente de perdas no núcleo do transformador. As perdas no cobre dos enrolamentos são modeladas com Rp, para as perdas no cobre do primário, e RS, para as perdas no cobre do secundário; a reatância devido à indutância da dispersão do primário é modelada no XP, assim como XS modela a reatância devido à indutância da dispersão do secundário. 34 UNIDADE 1 — TRANSFORMADORES IDEAIS E REAIS Isso pode ser visto na Figura a seguir, quando se relaciona ao lado primário, e na Figura 17, para o lado secundário. FIGURA 17 –MODELO DO TRANSFORMADOR REFERIDO AO LADO PRIMÁRIO FONTE: Chapman (2013, p. 89) FIGURA 18 – MODELO DO TRANSFORMADOR REFERIDO AO LADO SECUNDÁRIO FONTE: Chapman (2013, p. 89) TÓPICO 3 — TRANSFORMADORES REAIS 35 Já para muitas aplicaçõesutilizadas na prática, podemos desconsiderar totalmente o ramo de excitação e, mesmo assim, mantermos o modelo muito próximo do original em aplicação, como pode ser visto na Figura a seguir, quando se relaciona ao lado primário, ou na Figura posterior, para o lado secundário. FIGURA 19 – MODELO SEM RAMOS DE EXCITAÇÃO REFERIDO AO LADO PRIMÁRIO FONTE: Chapman (2013, p. 89) Para calcular os valores da resistência RC e da reatância XM, é necessário analisar a admitância do ramo de excitação, onde a condutância da resistência das perdas no núcleo pode ser calculada pela equação a seguir: 36 UNIDADE 1 — TRANSFORMADORES IDEAIS E REAIS A susceptância do indutor de magnetização pode ser calculada pela Equação seguinte: Em circuito aberto ou ensaio a vazio (VZ), o módulo da admitância de excitação referida ao lado do transformador usado para a medida pode ser calculado pela Equação a seguir: Com o fator de potência (FP) a vazio, podemos obter o ângulo da admitância, onde o FP e o ângulo do FP podem ser calculados pelas Equações seguintes: O ângulo da corrente, em um transformador real, sempre está atrasado em relação à tensão em θ graus, devido ao FP estar sempre atrasado. Nesse caso, a admitância pode ser calculada pelas Equações seguintes: Utilizando o transformador com o secundário em curto-circuito, podemos desprezar a corrente no ramo de excitação por ela ser muito baixa. Assim, podemos calcular o módulo das impedâncias em série, referidas ao lado primário do transformador, com a Equação a seguir: A corrente o FP, que está atrasada, pode ser calculada com a Equação a seguir: TÓPICO 3 — TRANSFORMADORES REAIS 37 O ângulo da corrente, nesse caso, será negativo, e o ângulo θ de impedância total é positivo. Podemos calculá-lo por meio da Equação a seguir: Com isso, é possível calcular a impedância em série ZSE utilizando as Equações seguintes: 6 COMPONENTES DO CIRCUITO EQUIVALENTE Tomando como base o circuito equivalente da Figura 3, identificaremos os componentes dele sendo equivalente ao de um transformador real. Com relação ao enrolamento primário, existe um fluxo disperso que é responsável por induzir uma tensão que é somada à produzida pelo fluxo mútuo. Essa tensão varia linearmente com a corrente I1, chamada de corrente de primário. Assim, o fluxo de dispersão concatenado no primário pode ser representado por uma indutância Ll1, e Xl1 é a reatância de dispersão de primário. A tensão nos terminais do enrolamento primário é representada por V1, enquanto Iφ é a componente de excitação necessária para induzir o fluxo mútuo resultante, sendo: I2 a corrente do secundário, IC a corrente de perdas no núcleo, Im a corrente de magnetização, Xm a reatância de magnetização, e RC a resistência de magnetização. No modelo da Figura 5, está representada, também, a componente R1, que equivale à resistência do primário. Por fim, podemos observar a componente E1, que representa a força eletromotriz gerada. 38 UNIDADE 1 — TRANSFORMADORES IDEAIS E REAIS LEITURA COMPLEMENTAR POR QUE OS TRANSFORMADORES SÃO IMPORTANTES À VIDA MODERNA? Stephen J. Chapman O primeiro sistema de distribuição de energia elétrica dos Estados Unidos foi um sistema CC de 120 V inventado por Thomas A. Edison para fornecer energia a lâmpadas incandescentes. A primeira estação geradora de energia elétrica de Edison entrou em operação na cidade de Nova York em setembro de 1882. Infelizmente, seu sistema gerava e transmitia energia elétrica com tensões tão baixas que se tornavam necessárias correntes muito elevadas para fornecer quantidades significativas de energia. Essas correntes elevadas causavam quedas de tensão e perdas energéticas muito grandes nas linhas de transmissão, restringindo severamente a área de atendimento de uma estação geradora. Na década de 1880, as usinas geradoras estavam localizadas a poucos quarteirões umas das outras para superar esse problema. O fato de que, usando sistemas de energia CC de baixa tensão, a energia não podia ser transmitida para longe significava que as usinas geradoras deveriam ser pequenas e localizadas pontualmente sendo, portanto, relativamente ineficientes. A invenção do transformador e o desenvolvimento simultâneo de estações geradoras de energia CA eliminaram para sempre essas restrições de alcance e de capacidade dos sistemas de energia elétrica. Idealmente, um transformador converte um nível de tensão CA em outro nível de tensão sem afetar a potência elétrica real fornecida. TÓPICO 3 — TRANSFORMADORES REAIS 39 Se um transformador elevar o nível de tensão de um circuito, ele deverá diminuir a corrente para manter a potência que chega ao dispositivo igual à potência que o deixa. Portanto, a energia elétrica CA pode ser gerada em um local centralizado, em seguida sua tensão é elevada para ser transmitida a longa distância, com perdas muito baixas, e finalmente sua tensão é abaixada novamente para seu uso final. Em um sistema de energia elétrica, as perdas de transmissão são proporcionais ao quadrado da corrente que circula nas linhas. Desse modo, usando transformadores, uma elevação da tensão de transmissão por um fator de 10 permitirá reduzir as perdas de transmissão elétrica em 100 vezes devido à redução das correntes de transmissão pelo mesmo fator. Sem o transformador, simplesmente não seria possível usar a energia elétrica em muitas das formas em que é utilizada hoje. Em um sistema moderno de energia elétrica, a energia é gerada com tensões de 12 a 25 kV. Os transformadores elevam a tensão a um nível entre 110 kV e aproximadamente, 1.000 kV para realizar a transmissão a longa distância com perdas muito baixas. Então, os transformadores abaixam a tensão para a faixa de 12 a 34,5 kV para fazer a distribuição local e finalmente permitir que a energia elétrica seja usada de forma segura em lares, escritórios e fábricas com tensões tão baixas quanto 120 V. TIPOS E CONSTRUÇÃO DE TRANSFORMADORES A finalidade principal de um transformador é a de converter a potência elétrica CA de um nível de tensão em potência elétrica CA de mesma frequência e outro nível de tensão. Os transformadores também são usados para outros propósitos (por exemplo, amostragem de tensão, amostragem de corrente e transformação de impedância). Contudo, este capítulo será dedicado primariamente ao transformador de potência. Os transformadores de potência são construídos com um núcleo que pode ser de dois tipos. Um deles consiste em um bloco retangular laminado simples de aço com os enrolamentos do transformador envolvendo dois lados do retângulo. Esse tipo de construção é conhecido como núcleo envolvido e está ilustrado na Figura 2-2. O outro tipo consiste em um núcleo laminado de três pernas com os enrolamentos envolvendo a perna central. Esse tipo de construção é conhecido como núcleo envolvente e está ilustrado na Figura 2-3. Em ambos os casos, o núcleo é construído com lâminas ou chapas delgadas, eletricamente isoladas entre si para minimizar as correntes parasitas. Em um transformador real, os enrolamentos primário e secundário envolvem um ao outro, sendo o enrolamento de baixa tensão o mais interno. Essa disposição atende a dois propósitos: 1- Simplifica o problema de isolar o enrolamento de alta tensão do núcleo. 2- Resulta muito menos fluxo de dispersão do que seria o caso se os dois enrolamentos estivessem separados de uma distância no núcleo. 40 UNIDADE 1 — TRANSFORMADORES IDEAIS E REAIS Os transformadores de potência recebem diversos nomes, dependendo do uso que é feito nos sistemas de potência elétrica. Um transformador conectado à saída de uma unidade geradora e usado para elevar a tensão até o nível de transmissão (110 kV) é denominado algumas vezes transformadorda unidade de geração. Na outra extremidade da linha de transmissão, o denominado transformador da subestação abaixa a tensão do nível de transmissão para o nível de distribuição (de 2,3 a 34,5 kV). Finalmente, transformador que recebe a tensão de distribuição é denominado transformador de distribuição. Esse transformador abaixa a tensão de distribuição para o nível final, que é a tensão realmente utilizada (110, 127, 220 V etc.). Todos esses dispositivos são essencialmente o mesmo – a única diferença entre eles está na finalidade da utilização. Além dos diversos transformadores de potência, dois transformadores de finalidade especial são usados para medir a tensão e a corrente nas máquinas elétricas e nos sistemas de potência elétrica. O primeiro desses transformadores especiais é um dispositivo especialmente projetado para tomar uma amostra de alta tensão e produzir uma baixa tensão secundária que lhe é diretamente TÓPICO 3 — TRANSFORMADORES REAIS 41 proporcional. Esse transformador é denominado transformador de potencial. Um transformador de potência também produz uma tensão secundária diretamente proporcional à sua tensão primária. A diferença entre um transformador de potencial e um de potência é que o transformador de potencial é projetado para trabalhar apenas com uma corrente muito pequena. O segundo tipo de transformador especial é um dispositivo projetado para fornecer uma corrente secundária muito menor do que, mas diretamente proporcional, sua corrente primária. Esse dispositivo é denominado transformador de corrente. FONTE: CHAPMAN, S. J. Fundamentos de máquinas elétricas. 5 ed. Porto Alegre: AMGH, 2013. 42 RESUMO DO TÓPICO 3 Nesse tópico, você aprendeu que: • O estudo de transformadores permite compreender como a energia elétrica pode ser transportada de um circuito elétrico a outro através do acoplamento de um campo magnético variável no tempo, estando os dois circuitos isolados eletricamente. • Um transformador consiste em duas ou mais bobinas e um "caminho", ou circuito magnético, que "acopla” essas bobinas. Além de transferir energia, esse dispositivo permite transformar (abaixar ou elevar) tensões, correntes e impedâncias. • Os elementos de um transformador são: o enrolamento de entrada, chamado de primário, que recebe a energia elétrica do sistema e que pode ser tanto de alta como de baixa tensão, o enrolamento de saída, chamado secundário, que entrega a energia à carga conectada aos seus terminais e que também pode ser tanto de alta quanto de baixa tensão. Pode ainda haver mais um enrolamento no secundário conectado várias cargas diferentes, que é denominado de enrolamento terciário. • Um núcleo magnético, composto normalmente de um material ferromagnético, compõe o circuito magnético dele, sendo responsável pelo acoplamento magnético da máquina. • Para dirimir os efeitos do aquecimento são usados elementos refrigerantes na sua operação. Os principais refrigerantes usados são o ar e o óleo mineral. Ficou alguma dúvida? Construímos uma trilha de aprendizagem pensando em facilitar sua compreensão. Acesse o QR Code, que levará ao AVA, e veja as novidades que preparamos para seu estudo. CHAMADA 43 1 Nos transformadores reais, em virtude de a relação entre as correntes do primário e do secundário ser inversamente proporcional ao número de espiras e às suas relações, pode-se afirmar que também não existirá corrente circulando na bobina do enrolamento primário. Então, com relação à convenção do ponto no transformador real, assinale a alternativa CORRETA: a) ( ) se duas ou mais correntes estiverem entrando nos terminais dos enrolamentos com ponto, elas estarão produzindo forças magnetomotriz que se suprimem. b) ( ) se duas ou mais correntes estiverem entrando nos terminais dos enrolamentos com ponto, elas estarão produzindo forças magnetomotriz que se comprimem c) ( ) se duas ou mais correntes estiverem entrando nos terminais dos enrolamentos com ponto, elas estarão produzindo forças magnetomotriz que se somam. d) ( ) se duas ou mais correntes estiverem entrando nos terminais dos enrolamentos com ponto, elas estarão produzindo forças magnetomotriz que se anulam. 2 Um transformador tem, nos seus terminais da bobina secundária, 10 volts e uma corrente de 1A enquanto consome 100 watts de uma linha de 110 volts. Qual é a eficiência desse transformador? a) ( ) Ef = 10%. b) ( ) Ef = 20%. c) ( ) Ef = 30%. d) ( ) Ef = 40%. 3 Os transformadores reais, quando em operação, apresentam aquecimento nos enrolamentos tanto na bobina primária quanto na secundária. O núcleo também aquece, dissipando, assim, um percentual da potência de entrada no próprio transformador, o que faz os transformadores reais, na prática, nunca terem eficiência de 100 por cento. Por isso, quando se compara um transformador ideal com um transformador real, assinale a alternativa CORRETA: a) ( ) o núcleo que faz o acoplamento das bobinas tem sempre permeabilidade magnética infinita nos transformadores reais. b) ( ) o núcleo que faz o acoplamento das bobinas tem sempre permeabilidade magnética baixa nos transformadores ideais. c) ( ) o núcleo que faz o acoplamento das bobinas tem sempre permeabilidade magnética resistiva tanto nos transformadores reais quanto nos ideais. d) ( ) o núcleo que faz o acoplamento das bobinas tem sempre permeabilidade magnética infinita nos transformadores ideais. AUTOATIVIDADE 44 4 Se um transformador com 80% de eficiência fornece 100 watts para uma carga que está conectada ao secundário do transformador, que tem seu primário ligado a uma linha de 220 volts, ele consumirá quanto de corrente no seu primário? a) ( ) Ip = 5,68 mA. b) ( ) Ip = 56,8 mA. c) ( ) Ip = 568 mA. d) ( ) Ip = 5680 mA. 5 Um transformador é composto por duas ou mais bobinas em que um fluxo magnético, que é comum a elas, faz o acoplamento. A bobina do enrolamento primário do transformador, quando ligado a uma fonte de tensão alternada (CA), gera um campo magnético alternado em que a amplitude desse campo está diretamente relacionada com a tensão conectada ao enrolamento primário, à frequência da tensão aplicada ao primário e ao número de espiras do enrolamento primário. Considerando isso, o que é o fluxo mútuo de um transformador? a) ( ) Uma parcela do fluxo magnético que liga o enrolamento das bobinas do secundário, induzindo nesse enrolamento uma tensão na qual seu valor está diretamente relacionado com o número de espiras do enrolamento secundário, com a frequência e com a magnitude do fluxo comum. b) ( ) O fluxo contrário ao enrolamento das bobinas do secundário, induzindo nesse enrolamento uma corrente mútua ao fluxo, com a frequência e com a magnitude do fluxo comum. c) ( ) A parcela do campo magnético gerado no enrolamento primário do transformador ideal que não tem núcleo para concatenar o fluxo comum com o enrolamento secundário. d) ( ) O fluxo etário ao enrolamento das bobinas do secundário, induzindo, nesse enrolamento, uma tensão na qual seu valor está diretamente relacionado com o número de espiras do enrolamento secundário, com a frequência e com a magnitude do fluxo comum. 45 REFERÊNCIAS BOYLESTAD, R. L. Análise de Circuitos. 12ª ed. São Paulo: Prentice Hall, 2012. CHAPMAN, S. J. Fundamentos de máquinas elétricas. 5. ed. Porto Alegre: AMGH; Bookman, 2013. 700 p. MAMEDE FILHO, J. Manual de equipamentos elétricos. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2013. UMANS, S. D. Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley. 7. ed. Porto Alegre: AMGH; Bookman, 2014. 728 p. VICVERG. Transformador esquema. 2014. Disponível em: https://commons. wikimedia.org/wiki/File:Transformador_Esquema001.PNG.
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