Máquinas I

1

POTENCIA E FATOR DE POTENCIA

A potência instantânea p é o produto da corrente i pela tensão v para um dado instante t.

p = vì (1-5)

Quando v e i forem ambos positivos ou ambos negativos, o seu produto p é positivo.

Portanto, está sendo gasta uma potência através do ciclo (Fig. 1-1). Se i for positivo e V

negativo em qualquer parte do ciclo (Fig. 1-2), ou se v for positivo e i negativo em qualquer

parte do ciclo, o seu produto será negativo. Esta "potência negativa" não está disponível para a

realização de trabalho; é potência que volta para a linha.

Fig. 1-1 Diagrama temporal de potência quando a tensão e a corrente estiverem em fase

O produto da tensão na resistência pela corrente que passa pela resistência é sempre

positivo e é chamado de potência real. A potência real pode ser considerada como a potência

resistiva dissipada na forma de calor. Como a tensão através de uma reatância está sempre 90°

fora de fase relativamente à corrente que passa pela reatância, o produto px = vxix é sempre

negativo. Este produto é chamado de potência reativa e é devido à reatância do circuito.

Analogamente, o produto da tensão da linha pela corrente da linha é conhecido como potência

aparente.

Máquinas I

2

Fig. 1.2 Diagrama temporal de potência num circuito RL série quando a corrente segue a tensão pelo

ângulo de fase

A potência real, a potência reativa e a potência aparente podem ser representadas: por

um triângulo retângulo (Fig. 1-2a). Desse triângulo trata-se as fórmulas para a potência:

Potência real P = VRIR = VI cos , W (1.6)

P = I2R, W (1.7)

P = W,R

V2 (1.8)

Potência reativa Q = Vx I x = VI sem , VAR (1.9)

Potência aparente S = VI, V A (1.10)

Tendo a tensão da linha V como o fasor de referência, num circuito indutivo, S segue

atrás de P (Fig. 1-3b); enquanto num circuito capacitivo S está adiante de P (Fig. 1-3c).

A razão entre a potência real e a potência aparente, chamada de fator de potência (FP), é

FP =

coscos

aparente potência

real pôtencia

VI

VI

VI

VrIr (1.11)

Também da Eq. (1-6)

FP = cos = VI

P (1.12)

Máquinas I

3

O cos de um circuito é o fator de potência, FP, do circuito. O fator de potência

determina que parcela da potência aparente é potência real e pode variar desde 1, quando o

ângulo de fase é 0°, até 0, quando for 90°. Quando = 0°, P = VI, a fórmula para a

tensão e corrente de um circuito em fase. Quando = 90°, P = VI x 0 = 0, indicando que

nenhuma potência está : sendo gasta ou consumida.

Fig. 1.3 Triângulo de potência

Diz-se que um circuito onde a corrente segue atrás da tensão (i.é, um circuito indutivo)

tem um FP indutivo ou de atraso (Fig. 1-3b), diz-se que um circuito onde a corrente segue na

frente da tensão (i.é, um circuito capacitivo) tem um FP capacitivo ou de avanço.

O fator de potência é expresso como um decimal ou como uma porcentagem. Um fator

de potência de 0,7 tem o mesmo significado que um fator de potência de 70 por cento. Para

unidade (FP = 1, ou 100 por cento), a corrente e a tensão estão em fase. Um FP de 70 por

cento quer dizer que o aparelho utiliza somente 70 por cento dos voltamperes da entrada. É

aconselhável que os circuitos projetados tenham um alto FP, pois estes circuitos utilizam da

forma eficiente a corrente liberada para a carga.

Quando afirmamos que um motor consome 10 kVA (1 kVA = 1.000 VA) de uma linha :

alimentação, reconhecemos que esta é a potência aparente retirada pelo motor. Os

quilovoltamperes sempre se referem à potência aparente. Analogamente, quando dizemos que

um motor retira 10 KW, queremos dizer que a potência real consumida pelo motor é de 10

KW.

Máquinas I

4

Exemplo 1- Uma corrente de 7 A segue uma tensão de 220 V formando um ângulo de

.30°. Qual o FP e a potência real consumida pela carga?

Resp. FP = cos = cos 30° = 0,866 (1.11)

Resp. P = VI cos = 220(7)(0,866) = 1334 W (1.6)

Exemplo 2- Um motor com a especificação 240 V, 8 A consome 1536 W com carga

máxima. Qual o seu FP?

Utilize a Eq. (1-12 ).

Resp. FP = 80%ou 0,8 240(8)

1536

P

VI

Exemplo 3- Num circuito ca com RLC série (Fig. 14-3a) a corrente da linha de 2 A

segue a tensão aplicada de 17 V formando um ângulo de 61,9°. Calcule , P, Q e S. Desenhe o

triângulo de potência.

Resp. FP = cos = cos6l,9° = 0,471 ou 47,1% indutivo (1.11)

Resp. P = VI cos = 17(2)(0,471) = 16W (1.6)

Resp P = I2R = 2

2(4) = 16 W (1.7)

Resp. Q = VI sem = 17(2)(sen6l,9°) = 17(2)(0,882) = 30 VAR indutivo (1.9)

Resp. S = VI = 17(2) = 34 VA (1.10)

Correção do Fator de Potência

A fim de se utilizar o mais eficientemente possível a corrente liberada para a carga,

deseja-se um alto FP ou um FP que se aproxime da unidade. Um FP baixo geralmente se deve

a grandes cargas indutivas, como motores de indução, que consomem a corrente com atraso de

fase.

Máquinas I

5

A fim de se corrigir esse baixo FP, é necessário fazer com que a corrente fique o mais

próximo possível em fase com a tensão. Isto é, o ângulo de fase deve ser o menor possível.

Isto geralmente se consegue colocando uma carga capacitiva, que produz uma corrente

adiantada, em paralelo a carga indutiva.

Exemplo 4- Com o auxilio de um diagrama de fasores, mostre como o FP produzido por

um motor indutivo pode ser corrigido para chegar à unidade.

Mostramos o circuito de um motor de indução (Fig. 1-4) e o seu diagrama de fasores

para a corrente (Fig. 1-4). A corrente I segue a tensão V de um ângulo de atraso de fase

onde FP = cos = 0,7. Queremos aumentar o FP para 1,0. Isto se consegue ligando um

capacitor através do motor (Fig. 1-5a). Se a corrente que passa pelo capacitor for igual à

corrente indutiva, as duas se cancelam (Fig. 1-5b). A corrente da linha I, é agora menor do que

o seu valor original e está em fase com V de modo que FP = cos 0° = 1. Observe que a

corrente I que passa pelo motor permanece inalterada. A parte reativa da corrente para o motor

é alimentada pelo capacitor. A linha agora só tem que fornecer a componente da corrente para

a parte resistiva do motor.

Fig. 1.4 Um motor de indução representado por um circuito RL série

Fig. 1-5 Motor de Indução onde se acrescentou um capacitor em paralelo

Máquinas I

6

Exemplo 5-.Um motor de indução consome 1,5 KW e 7,5 A de ~a linha de 220 V, 60

Hz. Qual deverá ser a capacitância de um capacitor em paralelo a fim de se aumentar o FP

total para Im (Fig. 1-6)?

l.º Passo: Calcule o ângulo de fase M e a seguir a potência reativa QM da .carga

constituída pelo motor.

PM = VMIM cos M (1-6)

de onde cos m = 909,0)5,7(220

1500

I V MM

M

P

M = arccos 0,909 = 24,6°

Do triângulo de potência para o motor (Fig. 1-6 b),

QM = 1500 tg 24,6° = 687 VAR indutivo

(a)Acrescentando um capacitor em paralelo (b)

para aumentar o FP para 1

2º Passo: Calcule a corrente IC retirada pelo capacitor. Para que a corrente tenha um FP

= 1, o capacitor precisa ter um QC = 687 VAR adiantado para equilibrar o QM = 687 VAR

atrasado. Como a potência reativa num capacitor puro é também a sua potência aparente,

Qc = Sc = Vc Ic (1-9)

Ic = A12,3220

687

Vc

Sc

3º Passo: Calcule a reatância do capacitor.

Xc = 5,7012,3

220Vc

Ic

4º Passo: Calcule a capacitância do capacitor, usando a Eq. (13-9).

Máquinas I

7

Resp. C = 60(70,5)

0,1590,159

fXc= 37,6 x 10

-6 = 37,6 F

Exemplo 6- Um motor de indução consome 15 kVA em 440 V e com 75 por cento de

FP indutivo. Qual deverá ser o FP de uma carga capacitiva de 10 kVA ligada em paralelo a

fim de fazer o FP total chegar até a unidade?

1º Passo: Calcule a potência reativa do motor de indução, QM.

FPM = cos = 0,75

= arccos 0,75 = 41,4°

QM = VI sem = 15 sen 41º = 9,92 kVAR indutivo

Motor de indução

2º Passo: Calcule o ângulo de fase e a seguir o FP para a carga capacitiva. Para se ter um

circuito com FP=1, a potência reativa total deve ser zero. Como o motor consome 9,92 kVAR

indutivo, o FP capacitivo da carga também deve utilizar 9,92 kVAR. Do triângulo de potência

para a carga capacitiva,

Resp: sen = 992,010

92,9

= arcsen 0,992 =82,7º

FP = cos = cos 82,7º = 0,127 = 12,7% capacitivo

Motor Síncrono

Motor síncrono

Máquinas I

8

TRANSFORMADORES

Características de um Transformador Ideal

O transformador básico é formado por duas bobinas isoladas eletricamente e enroladas

em torno de um núcleo comum (Fig. 2-1). Para se transferir a energia elétrica de uma bobina

para a outra usa-se o acoplamento magnético. A bobina que recebe a energia de uma fonte ca é

chamada de primário. A bobina que fornece energia para uma carga ca é chamada de

secundário. O núcleo dos transformadores usados em baixa freqüência é feito geralmente de

material magnético, comumente se usa aço laminado. Os núcleos dos transformadores usados

em altas freqüências são feitos de ferro em pó e cerâmica ou de materiais não magnéticos.

Algumas bobinas são simplesmente enroladas em tomo de fôrmas ocas não magnéticas como

por exemplo papelão ou plástico, de modo que o material que forma o núcleo na verdade é o

ar.

Se assumir que um transformador funcione sob condições ideais ou perfeitas, a

transferência de energia de uma tensão para outra se faz sem nenhuma perda.

Razão ou Relação de Tensão

A tensão nas bobinas de um transformador é diretamente proporcional ao número de

espiras das bobinas. Esta relação é expressa através da fórmula

s

p

N

N

s

p

V

V (2-1)

onde Vp = tensão na bobina do primário, V

Vs = tensão na bobina do secundário, V

Np = número de espiras da bobina do primário

Ns = número de espiras da bobina do secundário

A razão VP/ Vs é chamada de razão ou relação de tensão (RT). A razão Np / Ns é

chamada de razão ou relação de espiras (RE). Substituindo estes termos na Eq. (2-1 ), obtemos

uma fórmula equivalente.

RT = RE (1-2)

Máquinas I

9

Uma razão de tensão de 1:4 (lê-se um para quatro) significa que para cada volt no

primário do transformador há 4 volts no secundário. Quando a tensão do secundário é maior

do que a tensão do primário. o transformador é chamado de transformador elevador. Uma

razão de tensão de 4:1 significa que para 4 V no primário há somente 1 V no secundário.

Quando a tensão no secundário for menor do que a tensão no primário, o transformador é

chamado de transformador abaixador.

Fig. 2-1 Diagrama simplificado de um transformador

Exemplo1- Um transformador de filamento (Fig. 2-2) reduz os 120 V no primário para 8

V no secundário. Havendo 150 espiras no primário e 10 espiras no secundário, calcule a razão

de tensão e a razão de espiras.

Resp. RT = 1:151

15

8

120

s

p

V

V

Resp. RE = 1:151

15

15

150

s

p

N

N

Exemplo2- Um transformador com núcleo de ferro funcionando numa linha de 120 V

possui 500 espiras no primário e 100 espiras no secundário. Calcule a tensão no secundário.

s

p

s

p

N

N

V

V (2-1)

Máquinas I

10

Vp = 120V Vs = 8V

Np = 150 espiras Ns = 10 espiras

Fig. 2-2 Transformadores de filamento

Tire o valor de Vs e substitua as valores conhecidos.

Resp. Vs = pVp

s

N

N= 120

500

100= 24V

Exemplo 3- Um transformador de potência tem uma razão de espiras de 1:5. Se a bobina

do secundário tiver 1.000 espiras e a tensão no secundário for de 30 V, qual a razão de tensão,

a tensão no primário e o número de espiras do primário?

Resp. RT = RE (2-2)

= 1 :5

Resp. s

p

V

V=VR=1:5=

5

1

Vp =5

1 Vs =

5

30 = 6 V

Resp. RE=5

1Np

sN

Np = sN5

1=

5

000.1 = 200 espiras

Razão ou Relação de Corrente

A corrente que passa pelas bobinas de um transformador é inversamente proporcional à

tensão nas bobinas. Esta relação é expressa pela equação

Máquinas I

11

p

s

I

I

s

p

V

V (2-3)

onde Ip = corrente na bobina do primário, A

Is = corrente na bobina do secundário, A

Da Eq. (2-1 ) podemos substituir Vp / Vs por Np / Ns, de modo que temos

p

s

I

I

s

p

N

N (2-4)

Exemplo 4- Deduza a equação para a razão de corrente Vp / Vs por Is / Ip.

Para um transformador ideal, a potência de entrada no primário é igual à potência de

saída do secundário. Desta forma presume-se que um transformador ideal seja aquele que

funcione com uma eficiência de 100 por cento. Portanto,

potência de entrada = potência de saída

Pp. = Ps

potência de entrada = Pp = VpIp

potência de saída = Ps = VsIs

Substituindo-se Pp e Ps,

de onde p

s

s I

I

V

pV Resp.

Exemplo 5- Quando o enrolamento do primário de um transformador de núcleo de ferro

funciona com 120 V, a corrente no enrolamento é de 2 A. Calcule a corrente no enrolamento

do secundário se a tensão for aumentada para 600 V.

p

s

s I

I

V

pV (2-3)

Tirando o valor de Is e substituindo os valores conhecidos.

Resp. Is = p

s

IV

pV= 2

600

120=0,4 A

Exemplo 6- Um transformador para campainha com 240 espiras no primário e 30

espiras no secundário retira 0,3 A de uma linha de 120 V. Calcule a corrente no secundário.

p

s

I

I

s

p

N

N (2-4)

Máquinas I

12

Tirando o valor de Is substituindo os valores conhecidos,

Resp. Is = pIs

p

N

N = )3,0(

30

240= 2,4 A

Eficiência

A eficiência de um transformador é igual à razão entre a potência de saída do

enrolamento do secundário e a potência de entrada no enrolamento do primário. Um

transformador ideal tem 100 por cento de eficiência porque ele libera toda a energia que

recebe. Devido às perdas no núcleo e no cobre, a eficiência do melhor transformador na

prática é menor que 100 por cento. Exprimindo na forma de equação,

Ef = entrada de potência

saída de potência=

p

s

P

P (2-5)

onde: Ef = eficiência

PS = potência de saída no secundário, W

Pp = potência de entrada no primário, W

Exemplo 7- Qual a eficiência de um transformador se ele consome 900 W e fornece 600

W?

Resp. Ef = p

s

P

P=

900

600 = 0,667 = 66,7% (2-5)

Exemplo 8-Um transformador tem uma eficiência de 90 por cento. Se ele fornece 198

W de uma linha de 110 V, qual a potência de entrada e a corrente no primário?

Ef = P

S

P

P

Tire o valor de PP, a potência de entrada

Resp. PP =Ef

PS =

90,0

198 = 220 W

Escreva a fórmula para a potência de entrada

PP = VPIP

Tire o valor de IP

Máquinas I

13

Resp. IP = 110

220

V

P

P

P = 2A

Exemplo 9- Um transformador consome 160 W de uma linha de 120 V e libera 24 V em

5 A. Calcule a sua eficiência.

PP = 160 W, dado

Logo PS = VSIS = 24(5) = 120 W

Resp. Ef = P

S

P

P=

160

120 = 0,75 = 75%

ESPECIFICAÇÕES PARA O TRANSFORMADOR

A capacidade do transformador é dada em quilovolt-ampères. Como a potência num

circuito ca depende do fator de potência da carga e da corrente que passa pela carga, uma

especificação de saída em quilowatts deve se referir ao fator de potência.

Exemplo 10 - Qual a saída em quilowatts de um transformador de 5 kVA 2.400/120 V

que alimenta a carga nominal com os seguintes fatores de potência: (a) 100 por cento, (b) 80

por cento, e (c) 40 por cento? Qual a corrente de saída especificada para o transformador?

Potência de saída.

Resp. (a) PS = kVA x FP = 5(1,0) = 5 KW

Resp. (b) PS = 5 (0,8) = 4 KW

Resp. (c) PS = 5 (0,4) = 2 KW

Corrente de saída:

PS = ISVS

Tirando o valor de IS ,

Resp. IS = S

S

V

P =

120

000.5 = 41,7 A

Máquinas I

14

Como a corrente especificada é determinada através da especificação da quilovolt-

amperagem, a corrente com carga máxima de 41,7 A é fornecida pelo transformador para os

três diferentes FPS mesmo que a saída em quilowatts seja diferente em cada caso.

RAZÃO DE IMPEDÁNCIA

É transferida uma quantidade máxima de potência de um circuito para outro quando a

impedância dos dois circuitos for a mesma ou quando estiverem "casadas". Se os dois circuitos

tiverem irnpedâncias diferentes, deve ser usado um transformador de acoplamento como um

dispositivo "casador" de impedância entre os dois circuitos. Construindo-se o enrolamento do

transformador, de modo que ele tenha uma razão de espiras definida, o transformador pode

desempenhar qualquer função como "casador" de impedância. A razão de espiras estabelece a

relação correta entre a razão das impedâncias dos enrolamentos do primário e do secundário.

Esta relação é expressa através da equação

2

S

P

N

N

=

SZ

ZP

(2-6)

Tirando-se a raiz quadrada dos dois lados, obtemos

S

P

N

N =

SZ

PZ (2-7)

onde NP = número de espiras do primário

NS = número de espiras do secundário

ZP = impedância do primário,

ZS = impedância do secundário,

Exemplo 11- Calcule a razão de espiras de um transformador usado para "casar" uma

carga de 14.400 com uma carga de 400 .

Resp. SN

NP

= S

P

Z

Z (2-7)

= 400

400.14 = 36 =

1

6 = 6 : 1

Máquinas I

15

Exemplo 12 - Calcule a razão de espiras de um transformador para "casar" uma carga de

20 com uma outra de 72.000 .

Aplique a Eq. (2-7)

Resp. SN

NP

= S

P

Z

Z =

6

1

3600

1

200

201 : 60

Exemplo 13 - A carga do secundário de um transformador abaixador com ama razão de

espiras de 5: 1 é de 900 Calcule a impedância do primário.

2

S

P

N

N

Z

Z

S

P

(2-6)

Tire o valor de ZP e substitua os valores dados.

Resp. ZP =

2

SN

PNZS =

2

1

5

(900) = 22.500

AUTOTRANSFORMADOR

0 autotransformador constitui um tipo especial de transformador de potência. Ele é

formado por um só enrolamento.

Fazendo-se derivações ou colocando-se terminais em pontos ao longo do comprimento

do enrolamento, podem ser obtidas diferentes tensões. O autotransformador possui um único

enrolamento entre os terminais A e C (Fig. 2-3). É colocada uma terminação no enrolamento,

de onde sai um fio que forma o terminal B. O enrolamento AC é o primário enquanto o

enrolamento BC forma o secundário. A simplicidade do autotransformador o torna mais

econômico e de dimensões mais compactas. Entretanto, ele não fornece isolação elétrica entre

os circuitos do primário e do secundário.

Máquinas I

16

Fig. 2-3 Diagrama esquemático do autotransformador

Exemplo 14 - Um autotransformador contendo 200 espiras é ligado a uma linha de 120

V (Fig. 2-3). Para se obter uma saída de 24 V, calcule o número de espiras do secundário e o

número da espira onde deverá ficar o terminal móvel do transformador contando a partir do

terminal A .

S

P

S

P

N

N

V

V (2-1)

Resp. NS = P

P

S

NV

V= 200

100

24= 40 espiras

Como as espiras do secundário incluem o primário, o terminal B deve estar onde o

número de espiras é de 160 (160 = 200 - 40). Se o terminal B for móvel, o autotransformador

torna-se um transformador variável. À medida que o terminal desloca-se para baixo em

direção a C, a tensão do secundário diminui.

PERDAS E EFICIÊNCIA DE UM TRANSFORMADOR

Os transformadores reais apresentam perdas no cobre e perdas no núcleo. A perda no

cobre é representada pela potência perdida nos enrolamentos do primário e do secundário

devido à resistência ôhmica dos enrolamentos. A perda no cobre dada em watts é calculada

através da fórmula.

Perda no cobre =I2

P RP+ I2

S RS (2-8)

onde IP = corrente do primário, A

IS = corrente do secundário, A

RP = resistência do enrolamento do primário,

RS = resistência do enrolamento do secundário,

As perdas no núcleo têm origem em dois fatores: perda por histerese e perdas por

correntes parasitas. A perda por histerese se refere à energia perdida pela inversão do campo

magnético no núcleo à medida que a corrente alternada de magnetização aumenta e diminui e

muda de sentido. A perda por correntes parasitas ou correntes de Foucault resulta das correntes

induzidas que circulam no material do núcleo.

Máquinas I

17

A perda no cobre dos dois enrolamentos pode ser medida por meio de um wattímetro. 0

wattímetro é inserido no circuito do primário do transformador enquanto o secundário é curto-

circuitado. A tensão aplicada ao primário aumenta até que a corrente especificada para carga

máxima flua através do secundário curto-circuitado. Neste ponto, o wattímetro indicará a

perda total no cobre. A perda no núcleo também pode ser determinada por meio de um

wattímetro colocado no circuito do primário aplicando-se a tensão especificada ao primário,

com o circuito secundário aberto.

A eficiência de um transformador real é expressa da seguinte forma:

Ef = P

S

P

P

entrada de potência

saída de potência (2-5)

= núcleo no perda cobre no perda saída de potência

saída de potência

Ef = núcleo no perda cobre no perda FP) x I(V

FP x IV

SS

S S

(2-9)

onde FP = fator de potência da carga

Exemplo 15 - Um transformador abaixador de 10:1 de 5 kVA tem uma especificação

para a corrente do secundário com carga máxima de 50 A. Um teste de perda no cobre por

meio de curto-circuito com carga máxima dá uma leitura no wattímetro de 100 W. Se a

resistência do enrolamento do primário for de 0,6 , qual a resisténcia do enrolamento do

secundário e a perda no cobre do secundário?

Aplique a Eq. (2-8).

Perda no cobre = I2

P RP+ I2

S RS = 100 W

Para calcular IP com carga máxima, escreva a Eq. (2-4)

de onde SN

NP =

P

S

I

I

IP = SS

IN

N

P

= 5010

1= 5 A

Tire o valor de RS da equação para a perda no cobre dada acima

I2

S RS = 100 - I2

P RP

Máquinas I

18

Resp. RS = S

2

2

I

RI - 100 PP

= 2

2

50

(0,6)5 - 100 = 0,034

Perda de potência no secundário = I2

S RS = 502(0,034) = 85 W Resp.

ou Potência perdida no secundário = 100 - I2

P RP = 100 - 52(0,6) = 85 W Resp.

Exemplo16 - Um teste com circuito aberto para a avaliação da perda no núcleo do

transformador de 5 kVA do Exemplo 15 fornece uma leitura no wattímetro de 70 W. Se o FP

da carga for de 85 por cento, qual a eficiência do transformador com carga máxima?

Ef =núcleo no perda cobre no perda FP) x I(V

FP x IV

SS

SS

(2-9)

VSIS = especificação do transformador = 5 kVA = 5000 VA

PF = 0,85 Perda no cobre = 100 W Perda no núcleo = 70 W

Substituindo os valores conhecidos chega-se à

Resp. 70 100 (0,85) 5.000

(0,85) 000.5

=

4420

4250 = 0,962 = 96,2

TRANSFORMADOR DESCARREGADO

Se o enrolamento secundário de um transformador estiver formando um circuito aberto

(Fig. 2-4a), a corrente do primário será muito baixa e será chamada de corrente sem carga A

corrente sem carga produz o fluxo magnético e alimenta as perdas por histerese e por correntes

parasitas no núcleo. Portanto, a corrente sem carga IE é formada por duas componentes: a

componente da corrente de magnetização IM e a componente de perda no núcleo, IH. A

corrente de magnetização IM está atrasada em relação à tensão aplicada ao primário VP de 90°,

enquanto a componente de perda no núcleo IH está sempre em fase com VP (Fig. 2-4b).

Máquinas I

19

Observe também que a tensão aplicada ao primário VP e a tensão induzida no secundário VS

estão representadas 180º fora de fase. Como na pratica IH é pequena comparada a IM a corrente

de magnetização IM é praticamente igual à corrente total sem carga IE. IE também é chamada de

corrente de excitação.

(a) Condição sem carga (b) Diagrama de fasores

Fig. 2-4 Transformador com núcleo de ferro com circuito no secundário aberto

Exempto 17 - Quando o secundário de um transformador de 120/240 V está aberto, a

corrente no primário é de 0,3 A para um FP de 20 por cento. A especificação do transformador

é de 4 kVA. Calcule (a) a corrente de carga máxima IP, (b) a corrente de excitação sem carga

IE, (c) a corrente de perda no núcleo IH e (d) a corrente de magnetização IM (e). Determine a

porcentagem de cada corrente relativamente à corrente de carga máxima. (f) Desenhe o

diagrama de fasores.

(a) Corrente de carga máxima = primário do tensão

kVA emador transformdo çãoespecifica

Resp. IP = 120

000.4 = 33,3 A

(b) A corrente do primário medida sem carga (com o secundário aberto) é a corrente de

excitação IE. Portanto,

Resp. IE = 0,3 A

(c) Da Fig. 2-4b,

Resp. IH = IE cos = IE x FP = 0,3(0,2) = 0,06 A

(d) Da Fig. 2-4b,

IM = IE sen

= arccos 0,2 = 78,5°

Portanto IM = 0,3 sen 78,5° = 0,3(0,980) = 0,294 A Resp.

(e) Porcentagem da corrente do primário sem carga (corrente de excitação) relativamente à

corrente do primário com carga máxima:

Resp. 3,33

3,0 =0,0090= 0,90%

Máquinas I

20

Porcentagem da corrente de perda no núcleo relativamente à corrente com carga

máxima:

Resp. 3,33

06,0= 0,0018 = 0, 18%

Porcentagem de corrente de magnetização relativamente à corrente com carga máxima:

Resp. 3,33

294,0 = 0,0088 = 0,88%

Observe que a corrente de magnetização (0,294 A) tem aproximadamente os mesmos

valores que a corrente do primário sem carga (0,3 A).

(f) Diagrama de fasores: Veja a Fig. 2-5.

Fig. 2-5 Diagrama de fasores

POLARIDADE DA BOBINA

O símbolo usado para o transformador não dá indicação sobre a fase da tensão através

do secundário, uma vez que a fase dessa tensão na verdade depende do sentido dos

enrolamentos em volta do núcleo. Para resolver este problema são usadas pintas de polaridade

para indicar a fase dos sinais do primário e do secundário. As tensões estão ou em fase (Fig. 2-

6a) ou 180° fora de fase com relação à tensão do primário (Fig. 2-6b).

(a) Tensões em fase (b) Tensões fora de fase

Fig. 2-6 Notação de polaridade das bobinas dos transformadores

Máquinas I

21

FUNCIONAMENTO DOS TRANSFORMADORES

O funcionamento dos transformadores está baseado no fenômeno da indução

eletromagnética. O primário, ligado à rede de alimentação de corrente alternada, gera um

campo magnético, também alternado, que, conduzido pelo núcleo, vai induzir no secundário

uma energia elétrica.

O transformador será elevador se enrolamento secundário tiver maior número de espiras

que o enrolamento primário, e será abaixador se enrolamento secundário tiver menor número

de espiras que o primário.

O núcleo do transformador é notado com chapas de ferro-silício.

As chapas de ferro- silício comumente usadas em pequenos transformadores

monofásicos estão enquadradas nas seguintes características:

espessura – de n.º 24 a n.º 26BS;

teor de silício – 1,5% a 4,6%

máxima permeabilidade admissível – de 5.600 a 10.000 gawes.

Máquinas I

22

Para pequenos transformadores, no comércio são encontradas chapas já cortadas, cujos

formatos mais comuns são os seguintes:

Observe na figura abaixo o formato de chapa EI

A tabela abaixo mostra as dimensões que essas chapas podem ter.

Dimensões de Chapas EI

Dimensões (cm) Potência

N.º a b c d e VA

Máquinas I

23

2 2,3 1,3 1,3 3,8 7,5 50

3 3,0 1,5 1,3 4,5 9,0 100

4 3,5 1,8 1,8 5,3 10,7 150

5 4,0 2,0 2,0 6,0 12,0 250

6 4,8 2,5 2,5 7,5 14,8 500

7 6,0 3,0 3,0 9,0 18,0 1000

NÚCLEOS MAGNÉTICOS

São peças metálicas, fabricadas em diversas formas, que constituem o circuito

magnético de aparelhos e máquinas eletromagnéticas.

Os núcleos podem ser maciços ou laminados.

Os núcleos maciços são empregados para montar as bobinas nas máquinas de corrente

contínua. São constituídos com ferro doce ou fundido.

Veja, na figura abaixo, a sapata polar do núcleo maciço do estator de motor de corrente

contínua.

Os núcleos laminados são empregados em máquinas de corrente alternada,

transformadores e retores das máquinas de corrente contínua. São constituídos com chapas

metálicas. O metal mais utilizado é o ferro-silício.

A espessura das lâminas varia de acordo com o tamanho e tipo de núcleo. O núcleo terá

melhor qualidade quando suas lâminas forem mais finas.

As chapas, previamente cortadas com matrizes, são isoladas entre si por finas camadas

de vernizes, goma-laca, papéis isolantes ou simplesmente através de oxidação.

Máquinas I

24

Os núcleos são formados montando-se as chapas e unindo-se com parafusos ou rebites.

Os núcleos laminados para transformadores são constituídos de maneira que se podem

montar e desmontar facilmente para colocar as bobinas. Existem diversos tipos de núcleos

laminados para transformadores.

Os mais utilizados são: núcleo de coluna, núcleo encouraçado e núcleos distribuído.

O núcleo de colunas é formados por duas colunas e duas armações. Ao redor de uma

coluna se aloja o bobinado primário e, na outra, o secundário. Também podem ser colocadas

as duas bobinas na mesma coluna.

O núcleo encouraçado é formado por três colunas e duas armações. Na coluna central,

que é de maior seção, estão os bobinados. As armações e as outras colunas completam o

circuito magnético.

O núcleo distribuído é formado por três núcleos de coluna, unidos como mostra a figura

abaixo. As bobinas estão sobre a ramificação central, formado por três colunas.

Máquinas I

25

NÚCLEOS DE MÁQUINAS GIRATÓRIAS

Há dois tipos de núcleos para máquinas giratórias: núcleo estator e núcleo de rotores.

Os núcleos estatores podem ser dois tipos: pólos salientes e ranhurados.

Os núcleos estatores de pólos salientes são constituídos de lâminas prensados, formando

pacotes rígidos. Tem diferentes formas e são utilizados em máquinas de pequena potência,

como por exemplo, motores de enceradeira, furadeira portáteis, ventiladores, barbeadores.

Observe na figura abaixo um núcleo estator de pólo saliente.

Este tipo de estator é utilizado indistintamente com rotor bobinado e com rotor gaiola de

esquilo.

Os núcleos estatores ranhurados são constituídos de lâminas prensadas, formando

Máquinas I

26

pacotes rígidos, que têm em seu interior diferentes formas e número de ranhuras. Observe a

seguir um estator ranhurado.

As ranhuras podem ser semi fechadas ou abertas. As ranhuras semi fechadas são

utilizadas em motores de pequena e média potência e as ranhuras abertas, em máquinas de

média e grande potências.

Ranhura aberta Ranhura semi fechada

O núcleo de rotores é constituído de lâminas, cortadas por matrizes e prensadas,

dispostas no eixo sob pressão. Na sua parte exterior, tem ranhuras que podem ser de três

formas diferentes: fechas semi fechadas e abertas.

A ranhura fechada é utilizada nos rotores de gaiola de esquilo em alguns rotores

bobinados, como alguns motores de partida para automóveis.

Máquinas I

27

A ranhura semi fechada é muito utilizada em motores universais e máquinas de corrente

contínua.

A ranhura aberta é utilizada em máquinas cujos enrolamentos são formados por

condutores de barras retangulares ou bobinas pré-moldadas. Neste caso, o bobinado é fixado

com bandagens em torno do núcleo do rotor.

Veja a seguir um quadro que apresenta características das chapas de Fe-Si.

Características Geris das Chapas de Fe-Si

Emprego %Si Resistividade Perda do núcleo em W/Kg a

60 Hz espessura 0,35mm

Motores fracionários de baixo custo

para uso intermitente

0,52 15 -

Peças polares de alta permeabilidade 0,50 17 2,86

Motores e geradores de qualidade

média – transformadores pequenos

1,00 27 2,57

Máquinas I

28

Motores e geradores e transformadores

de boa qualidade - reatores

2,50 40 2,22

Motores e geradores de alta eficiência

- transformadores

3,00 50 1,80

Transformadores de alta eficiência

para redes de distribuição

3,25 50 1,66

Todos os tipos de máquinas elétricas

de alta eficiência

3,80

4,00

4,20

4,50

57

58

59

60

1,58

1,43

1,28

1,14

Para encontrar as perdas no núcleo em 50 ciclos basta multiplicar a perda em 60 ciclos

por 0,806.

A tabela seguinte indica bitolas ESG (Electrical Steel Gauge) e o peso aproximado em

quilogramas por metro quadrado das chapas de ferro-silício.

Chapas de Ferro-Silício

Bitola ESG n.º Espessura em mm Peso Kg/m2

16 1,59 12,08

17 1,42 10,79

18 1,27 9,65

19 1,10 8,36

20 0,952 7,24

21 0,864 6,57

22 0,788 5,99

23 0,711 5,40

24 0,635 4,83

25 0,559 4,27

26 0,470 3,57

Máquinas I

29

27 0,432 3,28

28 0,394 2,99

29 0,356 2,71

30 0,318 2,42

Os isolantes HT-S permitem temperaturas até 175º C.

São máquinas desenvolvidas para situações e ambientes especiais. Por exemplo, motores

que trabalham dentro de estufas.

Os fios magnéticos podem ser especificados pelo seu diâmetro por sua seção transversal,

ou ainda, pelo número da bitola AWG. A tabela a seguir relaciona o diâmetro e a seção com

bitola AWG e fornece as características de residência e correntes admissíveis para várias

densidades de corrente.

As outras duas tabelas posteriores indicam número de espiras por centímetro quadrado e

número de espiras por centímetro para uma camada.

Máquinas I

30

Fios Magnéticos (Cobre)

Bitola do

fio AWG

n.º

Diâmetro

em mm

Seção em

mm2

Residência

em /Km a

20°C

Correntes admissíveis para

as densidades

1A/ mm2 2A/mm

2 3A/mm

2 4 A/mm

2 5A mm

2

8 3,21 8,37 2,07 8,37 16,74 25,11 33,48 41,85

9 2,91 6,63 2,59 6,63 13,26 19,89 26,52 33,15

10 2,59 5,26 3,27 5,26 10,52 15,78 21,04 26,30

11 2,30 4,17 4,15 4,17 8,34 12,51 16,08 20,85

(12) 2,05 3,31 5,22 3,31 6,62 9,93 13,24 16,55

13 1,83 2,62 6,56 2,62 5,24 7,86 10,48 13,10

14 1,63 2,08 8,26 2,08 4,16 6,24 8,32 10,40

15 1,45 1,65 10,40 1,65 3,30 4,95 6,60 8,25

16 1,29 1,31 13,20 1,31 2,62 3,93 5,24 6,55

17 1,15 1,04 16,60 1,04 2,08 3,12 4,16 5,20

18 1,02 0,82 21,10 0,82 1,64 2,46 3,28 4,10

19 0,91 0,653 26,50 0,653 1,306 1,959 2,612 3,265

20 0,81 0,518 33,50 0,518 1,036 1,554 2,072 2,590

21 0,72 0,410 42,30 0,410 0,820 1,230 1,640 2,050

22 0,64 0,326 53,60 0,326 0,652 0,978 1,250 1,630

23 0,57 0,2552 57,60 0,2552 0,5104 0,7656 1,0208 1,2760

24 0,51 0,2043 84,40 0,2043 0,4086 0,6129 0,8172 1,0215

25 0,45 0,1590 108,40 0,1509 0,3180 0,4770 0,6360 0,7950

26 0,40 0,1256 137,0 0,1256 0,2512 0,768 0,5024 0,6280

27 0,36 0,1018 169,0 0,1018 0,20396 0,3054 0,4072 0,5090

28 0,32 0,0804 214,0 0,0804 0,1608 0,2412 0,3216 0,4020

29 0,29 0,0660 261,0 0,0660 0,1320 0,1980 0,2640 0,3300

30 0,25 0,0491 351,0 0,0491 0,0982 0,1473 0,1964 0,2455

31 0,23 0,0415 415,0 0,0415 0,0830 0,1245 0,1660 0,2075

32 0,20 0,0314 549,0 0,0314 0,0628 0,0942 0,1256 0,1570

33 0,18 0,0254 679,0 0,0254 0,0508 0,0762 0,1016 0,1270

34 0,16 0,0201 858,0 0,0201 0,0402 0,0603 0,0804 0,1005

35 0,14 0,0154 1119,0 0,0154 0,0308 0,0462 0,0616 0,0770

36 0,13 0,0132 1306,0 0,0132 0,0261 0,0396 0,0528 0,0660

37 0,11 0,0095 1815,0 0,0095 0,0190 0,0285 0,0380 0,0475

38 0,10 0,0078 2210,0 0,0078 0,0156 0,0234 0,0312 0,0390

39 0,09 0,0063 2737,0 0,0063 0,0126 0,0189 0,0252 0,0315

Máquinas I

31

40 0,08 0,0050 3448,0 0,0050 0,0100 0,0150 0,0200 0,0250

Número de Espiras por Centímetro Quadrado (várias camadas) para Fios

Magnéticos Isolados com Diferentes Materiais.

Bitola no fio

AWG n.º

Espiras por cm2

FME FMS-2 FMES-1 FME-1 FM-2

8 - - - - 7,84

9 - - - - 9,00

10 13,7 - - - 11,6

11 17,6 - - - 14,4

12 22,0 - - - 18,5

13 28,30 - - - 21,2

14 34,8 - 31,4 29,2 26,0

15 43,6 - 39,7 36,0 34,8

16 56,3 - 50,4 43,6 43,6

17 68,9 - 59,3 54,8 51,8

18 86,5 81,0 75,7 64,0 64,0

19 108,0 100,0 90,3 81,0 74,0

20 134,0 121,0 121,0 100,0 92,2

21 169,0 156,0 156,0 121,0 100,0

22 225,0 196,0 169,0 144,0 121,0

23 256,0 225,0 225,0 169,0 144,0

24 324,0 289,0 256,0 225,0 169,0

25 400,0 361,0 324,0 256,0 225,0

26 484,0 441,0 400,0 324,0 256,0

27 625,0 529,0 484,0 361,0 324,0

28 784,0 625,0 625,0 441,0 361,0

29 961,0 784,0 729,0 529,0 400,0

30 1370,0 900,0 900,0 625,0 484,0

31 1600,0 1090,0 1020,0 729,0 529,0

32 2030,0 1370, 1230,0 841,0 625,0

33 2500,0 1600,0 1440,0 961,0 676,0

34 3030,0 1850,0 1680, 1090,0 729,0

35 3970,0 2210,0 2210,0 1230,0 841,0

36 4360,0 2500,0 2500,0 1370,0 900,0

37 - 3030,0 - - 1020,0

38 - 3480,0 - - 1090,0

39 - 3840,0 - - 1160,0

40 - 4360,0 - - 1230,0

Legenda:

FME – fio magnético esmaltado

FMS-2 – fio magnético com duas capas de seda

FMES-1 – fio magnético esmaltado com uma capa de seda

FME-1 – fio magnético esmaltado com uma capa de algodão

Máquinas I

32

FM-2 – fio magnético com duas capas de algodão

Observação: convém conferir sempre os diâmetros dos condutores com micrômetro.

Número de Espiras por Centímetro Quadrado (uma camada) para Fios Magnéticos

Isolados com Diferentes Materiais.

Bitola no fio

AWG n.º

Espiras por cm2

FME FMS-2 FMES-1 FME-1 FM-2

8 - - - - 2,8

9 - - - - 3,0

10 3,7 - - - 3,4

11 4,2 - - - 3,8

12 4,7 - - - 4,3

13 5,3 - - - 4,6

14 5,9 - 5,6 5,4 5,1

15 6,6 - 6,3 6,0 5,9

16 7,5 - 7,1 6,6 6,6

17 8,3 - 7,7 7,4 7,2

18 9,3 9,0 8,7 8,0 8,0

19 10,4 10,0 9,5 9,0 8,6

20 11,6 11,0 11,0 10,0 9,6

21 13,0 12,5 12,5 11,0 10,0

22 15,0 14,0 13,0 12,0 11,0

23 16,0 15,0 15,0 13,0 12,0

24 18,0 17,0 16,0 15,0 13,0

25 20,0 19,0 18,0 16,0 15,0

26 22,0 21,0 20,0 18,0 16,0

27 25,0 23,0 22,0 19,0 18,0

28 28,0 25,0 25,0 21,0 19,0

29 31,0 28,0 27,0 23,0 20,0

30 37,0 30,0 30,0 25,0 22,0

31 40,0 33,0 32,0 27,0 23,0

32 45,0 37,0 35,0 29,0 25,0

33 50,0 40,0 38,0 31,0 26,0

34 55,0 43,0 41,0 33,0 27,0

35 63,0 47,0 47,0 35,0 29,0

36 66,0 50,0 50,0 37,0 30,0

37 - 55,0 - - 32,0

38 - 59,0 - - 33,0

39 - 62,0 - - 34,0

40 - 66,0 - - 35,0

Observação: convém conferir sempre os diâmetros dos condutores com micrômetro.

É importante que você saiba algumas dicas sobre fios magnéticos.

Máquinas I

33

Na reparação de bobinados, use sempre fios de diâmetros e isolamentos iguais aos

originais.

Os fios magnéticos esmaltados são sempre fornecidos em carreteis de madeira ou

plástico. Os fios com encapamento de algodão, porém são fornecidos em rolos.

Quando tiver que trabalhar com fio em rolo, não acredite que ele vá desenrolando-se

direitinho; use sempre um sarilho, com dimensões tais que o rolo fique apertado pela parte

cônica do sarilho.

Algumas regras referentes aos fios AWG podem ser aplicadas com grande

aproximação:

- Uma diminuição de seis números (por exemplo de 16 10) dobra o diâmetro..

- Uma diminuição de dez números multiplica a seção e o peso por 10 e divide a

resistência por 10.

Observação: Hoje em dia, já é comum usar-se a seção do fio em milímetros observe, na

tabela abaixo, os vários tipos de resina sintética, sua classe de temperatura e os principais

empregos.

Comparação entre os Diversos Tipos de Esmalte

Tipo de Esmalte Designação

PIRELLI - ISOFIL

Classe

Térmica ºC

Propriedades Especiais

Poliviniformal Pireform 105 Grande resistência à abrasão, a

agentes químicos e a óleos minerais.

Resistente ao fluido refrigerante 22,

baixa porcentagem de extração,

resistente a agentes químicos.

Poliviniformal ou

poliuretana com

camada termoplástica

de cimentação

Pirofix 105 Auto Colante, com grande

resistência a abrasão.

Epoxi Pirenor 130 Resistente à umidade, ao óleo de

transformador e espessura de

isolamento especial (compreendida

entre a simples e a reforçada da

NEMAMW – 100).

Epoxi Pirequent 130 Resistente à umidade, a óleos de

transformador e a temperatura.

Tereftálico Imídico Pireterm 155 Resistente a agentes químicos e à

temperatura.

Poliester Imídico Reterm 180 Resistentes a agentes a temperatura

Máquinas I

34

e a agentes químicos. Excelente

termoplasticidade.

O gráfico a seguir mostra a variação da resistência de isolamento durante um processo

completo de impregnação.

Observando o gráfico, pode-se comparar o comportamento de dois tipos de vernizes.

Alinha cheia refere-se a um verniz normal e alinha pontilhada mostra as variações de

resistência, referindo-se a um tipo de verniz que dispensa prévio aquecimento.

A tabela abaixo indica os vernizes apropriados para cada uso.

Vernizes de Impregnação e Acabamento Para Máquinas Elétricas

Tipo Secagem Classe Sólido Solvente Características Emprego

ISO - 301 135-150ºC

4 a 8h

“F”

(155ºC)

95 2% ISO– S-106 Elevado teor sólidos,

baixa viscosidade,

resiste a altas

temperaturas, ótimo

poder cimentante.

Rotores de alta rotação,

transformadores especiais,

bobinas , encapsulamento

ISO - 707 130-150ºC

6 a 10h

“F”

(155ºC)

50 2% ISO – S 121 Excelente resistência

ao calor, substitui

com vantagem

econômica e técnica

o silicone.

Aparelhos elétricos que

trabalham dentro ca classe

“F”.

ISOTERM 120-150ºc “F” 50 2% ISO – S - 102 Excelente resistência

ao calor, ótima

Equipamentos que

trabalham na classe “F”,

Máquinas I

35

767 5 a 8H (155ºC) rigidez dielétrica. bobinas, motores,

transformadores, etc.

ALKIDAL

ISO –

1200

vermelho

ambiente ou

estufa

“B”

(105ºC)

58 2% ISSO – S -

102

Excelente resistência

aos óleos, ácidos,

álcalis e umidade.

Elevada resistência

térmica.

Acabamento de bobinas,

estatores, motores, etc.

ISO - 1210 ambiente ou

estufa

“B”

(105ºC)

55 2% ISO – S 102 Resistência aos

agentes químicos e

umidade, ótima

rigidez dielétrica.

Transformadores a seco ou

imersos em óleo,

reguladores, motores,

bobinas, etc.

ISO –

1400

preto

Ambiente “A”

(105ºC)

42 2% ISO – S - 104 Rápida secagem e

resistência à

umidade.

Reparos de emergência e

manutenção preventiva do

isolamento envelhecido:

proteção e acabamento de

partes metálica.

ISO –

1524

Estufa “B”

(130°C)

50 2% ISO – S - 102 Alto poder

cimentante.

Rotores de alta rotação.

Bobinas, transformadores

especiais.

ISO –

1600

Ambiente “A”

(105ºC)

50 2% ISO – S – 101

ISO – S - 104

Película flexível,

resistência à água

salgada e aos agentes

químicos.

Bobinas fixa, reparos de

emergência e manutenção

preventiva.

ISO –

1700

escuro

Ambiente

ou Estufa

“A”

(105ºC)

50 2% ISO – S – 104 Película rija, secagem

rápida, bom poder

dielétrico, baixo

custo.

Uso geral em quase todo

tipo de equipamentos

elétricos.

ISO –

1720

escuro

Ar ou Estufa

120°C

“B”

(130ºC)

40 2% ISO – S – 102 Ótimo poder isolante.

Secagem rápida.

Uso geral, Motores,

transformadores, bobinas

fixas, etc.

ISO –

1800

1ª) 2h a 90

ou 100ºC

2ª) 3h a 125

ou 135ºC

“A”

(105ºC)

50 2% ISO – S – 103 Alto poder

cimentante.

Rotores de alta rotação,

fabricação de laminados de

papel, pano ou madeira.

ISO –

1802

125ºC – 5h “A”

(105ºC)

53 2% ISO – S – 135 Alto poder

cimentante.

Rotores de alta rotação

transformadores especiais.

ISO –

1900

125ºC –

5/8h

“B”

(130ºC)

50 2% ISO – S – 101 Elevada rigidez

dielétrica, película

dura e elástica, ótima

secagem em

profundidade

resistência à

umidade, ao calor e

aos agentes químicos.

Características

verdadeiramente universais

permitem empregá-lo nas

máquinas elétricas mais

diversas: transformadores,

motores, geradores, etc.

Máquinas I

36

ISO –

1902

125°C – 5h “B-F”

(130-

155ºC)

47 2% ISO – S – 102 Película elástica e

resistente ao calor e

ao envelhecimento.

Enrolamento com

fiberglass ou com fios

magnéticos resistentes a

temperatura elevada (classe

“F”).Micante flexível,

transformadores, etc.

ISO –

1914

130º C –

10h

“B”

(130ºC)

50 2% ISO – S – 114 Película elástica ou

dura, resistente ao

calor e ao

envelhecimento.

Transformadores,

geradores, motores,

bobinas especiais.

ISO –

1915

Estufa

130º C –

5/8h

“A”

(130ºC)

60 2% ISO – S – 101 Ótima secagem em

profundidade.

Resistente ao

envelhecimento.

Características: universal,

qualquer tipo de

equipamento elétrico.

ISO –

2000

vermelho,

amarelo ou

transpar.

Ambiente

15 min.

“A”

(130ºC)5

20 3% ISO – S – 105 Secagem rápida,

ótimo fator de

potência e constante

dielétrica, resistência

aos agentes

corrosivos.

Componentes de rádio e

TV: pequenos motores,

acabamento, etc.

ISO –

2003

amarelo

Rápida ao

Ar

15 min

“A”

(105ºC)

15 2% ISO – S – 113 Alto fator de

potência.

Bobinas estáticas rádio e

TV. Baixo custo.

ISO –

2011

Incolor

Rápida ao

Ar

70 min

“A”

(105ºC)

20 2% ISO – S – 118 Elevada constante

dielétrica. Resistente

à umidade e vapores

corrosivos.

Componentes eletrônicos.

Transformadores pequenos,

etc.

ISO –3000 1ª) 2h –

100ºC

2ª) 6h-

140ºC

“B”

(130ºC)

400

2%

ISO – S – 106 Alta cimentação,

resistência

excepcional aos

vapores corrosivos ,

secagem em

profundidade.

Motores, geradores,

bobinas, sujeitos às

emanações corrosivas.

Rotores com força

centrífuga elevada.

ISO –7000

silicone

1ª) 3h –

110ºC

2ª) 6h-acima

140ºC

“H”

(180ºC)

50% ISO – S – 122 Altíssima resistência

ao calor, baixa

temperatura para

polimerização.

Equipamentos elétricos que

trabalham dentro da classe

“H” (180ºC).

Máquinas I

37

RESFRIAMENTO DO TRANSFORMADOR

Transformadores a Seco

São resfriados diretamente pelo ar circundante (resfriamento a ar). Por essa razão, só são

construídos, economicamente, para pequenas potências.

Transformadores a Óleo

São constituídos em caixa de chapa preta e hermeticamente fechadas. O óleo, de

excelente qualidade, deve transmitir o calor do transformador, o mais rapidamente possível,

para as paredes do recipiente, na maioria das vezes aumentadas por aletas de resfriamento.

Por meio de um recipiente de dilatação, que é conservador do óleo, consegue-se que o

óleo se dilate ao ser aquecido e se retraia ao se esfriar, sem que entre em contato com o ar

externo, o que poderia absorver umidade. O ar altera a composição química do óleo. A água

contida no óleo reduz a resistência dielétrica.

Transformadores com Líquidos Não-Combustíveis

Esse tipo de transformador evita incêndios.. O óleo nos transformadores é substituído

por líquido isolante incombustível, o clofênio. O clofênio é um óxido de carbono aromático e

clorado, produzido com matéria –prima Alemã. É incolor, com características oleosas.

Estes transformadores podem ser instalados, por exemplo, em teatros, armazéns, etc.

Economizam condutores, já que podem ser colocados junto aos locais de maior demanda de

energia.

Relé Buchholz

Encontra-se entre a carcaça e o recipiente de dilatação. Esse relé faz um sinal de alerta

quando há um superaquecimento, o que libera a formação de gás no interior da carcaça. O

superaquecimento pode ocorrer se o nível do óleo baixar demasiadamente ou se entrar ar na

carcaça do transformador, devido a má vedação no circuito do óleo. Observe na figura abaixo

um relé Buchholz.

Máquinas I

38

Resfriamento Externo de Transformador de Grande Potência

O óleo do transformador é retirado da parte superior da carcaça por meio de um a

bomba, é conduzido através da serpentina e, em seguida, de volta, penetra pela parte inferior.

Óleo Isolante Ascarel

É o óleo empregado para resfriamento de transformadores a óleo. Este óleo é muito

tóxico, porém ainda é muito empregado até hoje. É fabricado desde 1929 e, apesar dos danos

que causa à saúde, é muito usado devido a suas vantagens técnicas para a formação de:

lubrificantes especiais;

tintas epoxi;

óleos isolantes para eletricidade;

Máquinas I

39

óleos isolantes para capacitores;

vernizes de proteção à madeira;

fluidos de corte.

Conforme o país de origem, o óleo ascarel é conhecido por nomes como: Araclor, DK,

Fenclor, Inerterrn, Pinalene, Santotherm, Clofen, etc. Seu principal componente é o

bifenilpoliclorado – PCB. Este componente é o principal causador de danos à saúde e ao meio

ambiente.

Seus efeitos negativos não aparecem de imediato se o contato com o óleo for distante.

Porém, se for aspirado ou ingerido, pode causar a morte.

Os danos que o óleo ascarel pode causar são:

se introduzido no óleos, decompõe a córnea a causa cegueira;

em contato com a pele, provoca coceiras que se tornam feridas abertas, pois é

cancerígeno;

ser ingerido ou aspirado, danifica o fígado e o rins.

Em outubro de 1975 foi proibido o uso do ascarel em novos equipamentos a serem

fabricados ou comprados pelo Brasil. Foi sugerida a substituição do óleo ascarel por fluido

silicone – polidimetil-hiloxano, para transformadores e capacitores.

Observe sempre estes cuidados especiais ao trabalhar com ascarel:

use óculos de segurança com videira;

use luvas de punho comprido, que cubra todo o braço, feitas de clorivinil;

use avental comprido de clorivinil;

use protetor para pernas e sapatos de clorivinil.

TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

É um dispositivo, sem partes em movimento, que transforma a energia elétrica trifásica

por meio de indução eletromagnética. Esse dispositivo mantém a mesma freqüência, mas,

geralmente, apresenta tensões e intensidade de corrente diferentes.

O transformador trifásico constitui o estágio evoluído de um sistema de três

transformadores monofásicos. Com a finalidade de economizar ferro foi dada uma disposição

conveniente aos núcleos.

Máquinas I

40

Observe na figura abaixo de um transformador trifásico.

Os núcleos do transformador trifásico, assim como dos monofásicos, são formados pelo

empacotamento de chapas de ferro-silício comum ou orientado, nas espessuras de 0,635 mm e

0,470 mm, ou seja, chapas 24 e 26 ESG, respectivamente.

Os núcleos podem ser shell ou core;

Os mais comuns são núcleos core.

Os núcleos core apresentam-se em dois modelos: convencional plano e spirakore.

Núcleo Convencional Plano

O Núcleo Convencional Plano pode ser formado de duas maneiras quando se emprega

ferro comum, empacotam-se chapas com formatos E e I; quando se trabalha com ferro

orientado, usam-se apenas chapas de formato I.

Máquinas I

41

Esses núcleos dispõem de três colunas unidas por duas armaduras. Na junção das

armaduras com colunas, as chapas são entrelaçadas e fixadas por meio de cantoneiras,

parafusos e porcas, como mostra a figura da página anterior.

Núcleo Spirakore

O Núcleo Spirakore possui armaduras em formas de coroa, obtidas pelo enrolamento de

uma fita de chapa de ferro, geralmente orientado como mostra a figura abaixo.

Meio Envolvente para Transformadores Trifásicos

Os transformadores trifásicos de uso mais generalizado são os tipo imerso em líquido

isolante.

O transformador e o líquido estão contidos em um tanque fabricado de chapa preta, em

diferentes formatos, com ou sem aletas de refrigeração. Esses tanques devem ser

hermeticamente fechados para impedir a contaminação do óleo isolante por poeira e umidade.

Por essa razão, todas as emendas de chapa são isoladas e todas as peças móveis são

parafusadas e seladas com gaxeta de papel especial, cortiça ou borracha nitrila.

A gaxeta deve ser isenta de substâncias condutoras, como o grafite, o que transformará o

óleo em condutor.

Os tanques dispõem de aberturas de visita, usadas para desligar terminais ou peças que

impeçam a remoção da tampa.

Máquinas I

42

Para a ligação dos transformadores à rede são feitas saídas de terminais isolantes. Esses

terminais podem ser fixados à parede lateral do tanque, à tampa ou, simultaneamente, à parede

e à tampa, como mostram as figuras abaixo.

Nos modernos transformadores de distribuição, os terminais de baixa tensão são

colocados na parede lateral e os alta tensão na tampa.

Os isoladores são montados de fora para dentro e fixados sobre gaxetas por meio de

braçadeiras e parafusos. Observe, na figura abaixo, a montagem de um isolador na tampa.

A ligação dos transformadores aos terminais de baixa tensão é sempre feita por dentro

do tanque;. os isoladores dispõem de haste roscada, à qual são ligados os enrolamentos.

Para as saídas de alta tensão existem dois tipos de isoladores:

isoladores que servem de bainha, na qual se enfia a saída de lata tensão do

transformador; neste caso, a ligação é feita por fora do tanque;

Máquinas I

43

isolares que dispõem de haste roscada para se fazer a ligação por dentro do tanque.

Para ligar adequadamente os transformadores trifásicos em paralelo, é indispensável que

se conheçam as marcações dos terminais e suas polaridades.

No Brasil, as normas recomendam a indicação dos terminais de transformadores

trifásicos com as marcas:

H1, H2 e H3 para os de mais alta tensão;

X1, X2 e X3 para os de mais alta tensão.

Disposição dos Terminais

Imagine que o observador esteja ao lado do tanque, por onde saem os terminais de

tensão mais baixa; então o terminal H1 deve ficar à esquerda, o H2 no centro e o H3 à direita.

O terminal X1 deve ficar em frente ao H1; o X2 ,em frente ao X2 e o X3, em frente ao H3.

Veja a seguir um transformador e a disposição de seus terminais.

Embora os transformadores trifásicos apresentem externamente seis terminais, dispõem,

internamente de 12 a 18 pontas do enrolamento que devem ser interligadas.

Para essas ligações internas, existem seis métodos que figuram nas duas tabelas abaixo,

cada uma com três deles.

Nos diagramas dessas tabelas, as extremidades dos enrolamentos são identificadas com

números correspondentes aos usados nos seguintes esquemas.

Máquinas I

44

TIPOS DE LIGAÇÃO DO “GRUPO A” DE TRANSFORMADORES

TRIFÁSICOS

Símbolo e

denominação

Diagrama Relação de

transformação

(tensão entre fases) Enrolamento de mais

alta tensão

Enrolamento de mais

baixa tensão

/

Triângulo

triângulo

EX = HX E..

NH

N

/

Estrela

estrela

EX = HX E..

NH

N

/

Triângulo

ziguezague

EX = 2NH

3 . E . N HX

Para se verificar se as ligações estão corretas, alimenta-se o transformador pelos lides de

tensão mais elevada com uma fonte de corrente trifásica conveniente; depois, ligam-se os lides

H1 e X1 entre si e , finalmente, medem-se as tensões entre vários pares de lides.

O resultado deve ser:

tensão entre H2 e X3 igual a tensão entre H3 e X2;

tensão entre H2 e X2 menor que a tensão entre H1 e H2;

tensão entre H2 e X2 menor que a tensão entre H2 e X3.

Máquinas I

45

TIPOS DE LIGAÇÃO DO “GRUPO B” DE TRANSFORMADORES

TRIFÁSICOS

Símbolo e

denominação

Diagrama Relação de

transformação

(tensão entre fases)

Enrolamento de mais

alta tensão

Enrolamento de mais

baixa tensão

/

Triângulo

triângulo

EX = HX E. 73,1 .

NH

N

/

Estrela

triângulo

EX = 3 . NH

E . N HX

/

Triângulo

ziguezague

EX = 2NH

3 . E . N HX

Para se verificar se as ligações estão corretas, alimenta-se o transformador pelo lides de

tensão mais elevada com uma fonte de corrente trifásica conveniente; ligam-se os lides H1 e

X1 entre si e mede-se a tensão entre vários pares de lides.

O resultado deve ser:

tensão entre H3 e X3 igual à tensão entre H3 e X3;

tensão entre H3 e X2 menor que a tensão entre H1 e H3;

Máquinas I

46

tensão entre H2 e X2 menor que a tensão entre H2 e X3;

tensão entre H2 e X2 menor que tensão entre H1 e X3.

Observações:

Para determinar as tensões secundárias, existem os seguintes símbolos:

EH – tensão entre fases na rede primária;

EX – tensão entre fases na rede secundária;

NH – número de espiras do enrolamento de mais alta tensão;

NX – número de espiras do enrolamento de mais baixa tensão.

No caso de enrolamento em ziguezague, esse número compreende o total de espiras das

duas metades.

A ligação em paralelo de dois transformadores trifásicos só pode ser feita se os sistemas

de ligação entre ambos pertencerem ao mesmo grupo e se entre os dois transformadores

houver correspondência de tensões e impedâncias.

Em nenhuma hipótese pode-se ligar em paralelo dois transformadores cujos sistemas de

ligações internas não pertencem ao mesmo grupo. Portanto, um transformador do “grupo A”

nunca pode ser ligado em paralelo com um transformador do “grupo B”. Veja agora exemplos

de outras ligações que podem ser feitas quando se necessita de tensão correspondente à

conexão.

/

EX = H

XH

N

2

N . E

/

EX = 3 . N

2

N . E

H

XH

Máquinas I

47

Cálculo de Corrente nos Transformadores Trifásicos

Para se calcular a corrente de linha nos transformadores trifásicos usa-se a formula:

I = E . 3

1000 .KVA

onde: I = corrente de ampères

KVA = potência em 100 voltampères;

E = tensão da conexão.

A densidade de corrente nos condutores bobinados varia de 1,8 a 5 ampères por

milímetro quadrado, conforme o projeto, a potência e o meio de refrigeração usado no

transformador.