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Máquinas I
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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
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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)
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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
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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.
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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
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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).
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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
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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)
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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)
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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
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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)
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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).
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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.