Conversão de Energia IN5CV1

Prof. Dr. Cesar da Costa

2.a Aula: Transformadores Monofásicos

1.1 – Conceito

O transformador é uma máquina elétrica estática, que tem como finalidade transferir energia elétrica de um circuito magnético para outro, geralmente com tensões e correntes diferentes, mantendo a mesma frequência e aproximadamente a mesma potência.

I. Transformadores Monofasicos

1.2 - Princípio de funcionamento

O funcionamento dos transformadores é baseado no princípio da indução eletromagnética, descoberta pelo físico inglês Michael Faraday, em 1831:

“Quando a corrente de uma bobina varia, seu campo magnético induz uma força eletromotriz (f.e.m.) numa bobina vizinha”.

1.3 - Elementos constituintes do transformadorO transformador é constituído por:a) Um núcleo de ferro laminado formando um circuito magnético fechado;

b) Bobinas primária (que recebem a corrente) e secundária (que fornecem a corrente).

1.4 - Representação simbólica

Os transformadores são representados em esquemas elétricos , por meio de símbolos:a) Em esquemas multifilares (Fig. 1-a e 1-b);

b) Em esquemas unifilares (Fig. 2-a e 2-b);

1.5 - Classificações mais comuns de transformadores

De acordo com a disposição das bobinas no núcleo:

a) Núcleo envolvido (Fig. 3-a);b) Núcleo envolvente, mais utilizado por apresentar menores perdas por dispersão de fluxo (Fig. 3-b);

De acordo com a relação entre as tensões primárias e secundárias:a) Elevadores, quando a tensão do secundário é maior que a do primário (Fig. 4-

a);b) Abaixadores, quando a tensão do primário é maior que a do secundário (Fig. 4-

b);

De acordo com o tipo de resfriamento:a) A seco, com ventilação natural ou forçada;b) A óleo, com ou sem irradiadores;

De acordo com o número de fases:a) Monofásicosb) Trifásicos

De acordo com a tensão:a) Extra-baixa tensão, menor que 50V;b) Baixa tensão, entre 50V e 1kV;c) Média tensão, entre 1kV e 35kV;d) Alta tensão, maior que 35kV;

1.6) Dados para os cálculos de um transformador

Em geral os valores fornecidos para os cálculos de um transformador monofásico são:

= potência secundária, medida em VA;

= tensão primária;

= tensão secundária;

= frequência;

Alguns fabricantes preferem fornecer a corrente secundária ( ) ao invés da potência secundária ( ).

2P

1V

2V

f

2I2P

1.7) Cálculo da potência primária

A potência primária é calculada acrescentando-se à potência secundária 10% do seu valor, a fim de compensar as perdas, isto é:

1.8) Cálculo das Correntes Primárias e Secundárias

1 2 1,1 [ . ]P P V A

1 21 2

1 2

e IP PIV V

1.9) Cálculo do número de espiras (N)

Espiras primárias ( ):

Onde:

1N

81

110

4, 44 m m

VNB S f

1

2

tensão primária em volts;inducão magnética máxima do ferro em Gaus (G);

secão magnética do núcleo em cm ; frequência em Hz.

m

m

VB

Sf

A fórmula anterior pode ser reescrita por:

81

110

4,4m m

VNS B f

Para 60 Hz e 12000 G, temos:f B

1 131, 281

m

N VS

Espiras secundárias ( ):2N

Para o cálculo das espiras secundárias, emprega-se a mesma fórmula, substituindo por e acrescentando 10% ao resultado, para compensar alguma perda na tensão secundária, ou seja:

1V 2V

2 231,281 1,1

m

N VS

1.10) Relação de Transformação

Para cálculos da secão dos condutores, secão magnética do núcleo, secão geométrica do núcleo, escolha da lâmina do núcleo, massa do ferro, etc. Consulte a bibliografia indicada no site do professor.

Exercícios:

1. Um transformador possui 2000 espiras no lado AT (alta tensão) e 200 espiras no lado BT (baixa tensão). Quando ligado como abaixador a corrente de carga é 30 A e como elevador é 2 A. Calcular para os dois casos: a) a relação de transformação; b) a componente de carga da corrente primária.

2. O lado AT de um transformador tem 750 espiras e BT 50 espiras. AT é ligada a uma rede de 120 V, 60 Hz. Em BT é ligada uma carga de 40 A. Calcular: a)a relação de transformação; b)a relação Volt/Espira do primário e secundário; c) a capacidade do transformador necessária para atender a carga; d) a componente de carga da corrente primária

II. Sistema de Geração, Distribuição e Transmissão de Energia Trifásica

Nas usinas hidrelétricas a energia mecânica de uma queda d'água é transformada em energia elétrica a partir de turbinas, que acionam geradores elétricos.

2.1 Geracao de Energia Elétrica Trifásica

2.2 Sistema Elétrico Trifásico

Muito embora os geradores de eletricidade possam produzir tanto energia em corrente contínua (CC) ou corrente alternada (CA), a maior parte da energia elétrica gerada não só no Brasil, mas em todo o mundo é em corrente alternada no sistema trifásico, na frequência de 60 Hz.

Isto ocorre, pois a corrente alternada, permite elevar ou diminuir os valores de tensão de uma forma muito mais simples e barata, se comparado com os sistemas disponíveis para Corrente Contínua.

Nesse sistema, utiliza-se um gerador de CA que funciona pelo princípio de indução eletromagnética, conforme ilustrado a seguir.

2.3 Gerador Elétrico Trifásico

SR

T

Três bobinas (R, S, T) são fixadas na periferia de giro do rotor e dispostas a 120º uma da outra.

Cada uma das três bobinas, estão sob efeito de um campo magnético girante do rotor, e produzem uma FCEM induzida.

A FCEM (Força Contra Eletromotriz) é proporcional a intensidade do fluxo magnético.

Em um dado momento, cada uma das bobinas fixas ao estator está sob efeito de uma intensidade de fluxo magnético, diferente em 120º uma em relação às outras.

Então tem-se a geração de três FCEM, ou seja, três correntes alternadas distintas, defasadas em 120º uma das outras.

Por que transmitir e distribuir a energia elétrica em corrente alternada é mais eficiente?

a) A transmissão em corrente contínua origina maiores perdas por cabos.

b) Somente em corrente alternada podemos elevar os níveis da tensão por meio de transformadores trifásicos, que não funcionam em corrente contínua, para então transmitir e distribuir a energia.

2. 4 Transmissão e Distribuicão de Energia Trifásica

Como funciona um sistema de transmissão e distribuição de energia elétrica?

a) Primeiramente a tensão é gerada e chega até a subestação elevatória.

b) A energia é transmitida por torres em três fases chamadas R, S e T em 230 kV.

c) Ao se aproximar do perímetro urbano consumidor, ela é rebaixada para níveis próximos a 34,5 kV.

d) Segue até a subestação de distribuição em que é novamente rebaixada para 13,8 kV. É com esse valor que a tensão chega aos postes dentro das cidades.

e) Até esse ponto a linha se chama primária. No poste um transformador reduz a tensão para 220V (ou 380V e 440V ) e através de um tap do transformador ganha o terminal neutro.

Como são classificados os níveis de tensão elétrica?

Segundo a portaria n.o 505 da agencia Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) temos:

a) Baixa tensão < 1000 V;

b) Média tensão 1000 V até 69 kV;

c) Alta tensão acima de 69 kV.

A corrente alternada ou CA (em inglês AC) é uma corrente elétrica cuja magnitude e direção da corrente varia ciclicamente, ao contrário da corrente contínua cuja direção permanece constante.

No Brasil a variação (freqüência) da rede elétrica é de 60 Hz. Na América do Sul, além do Brasil, também usam 60 Hz o Equador e a Colômbia.

A Argentina, Bolívia, Chile, Paraguai e Peru usam a freqüência de 50 Hz.

2.5 Valor Eficaz da Senóide

Valores da Tensão Senoidal

Quatro são os valores da tensão elétrica de uma senóide:

1. Valor de pico (Vp): é o valor máximo alcançado pelo semi ciclo positivo, ou o mínimo pelo semi ciclo negativo.

2. Valor pico a pico (Vpp): geralmente é duas vezes a tensão de pico.

3. Valor médio: corresponde à média aritmética da senóide, ou seja,

Vm=0,637.Vp.

4. Valor eficaz ou RMS: corresponde ao valor de tensão alternada que dissiparia a mesma potência em uma carga se fosse contínua. O valor eficaz pode ser calculado como:

Vef ou Vrms= 0,707.Vp.

Dada uma tensão senoidal de 311 Vac de pico. Calcule:

a) Tensão de pico a pico.

b) Tensão média.

c) Tensão eficaz.

d) Por que a tensão senoidal dada dissiparia uma potência igual a uma tensão de 220V contínuos na mesma carga?

Exercícios:

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