08-Eletricidade Básica

08-Eletricidade Básica

Num circuito de A.C., um voltímetro indica a voltagem efetiva e um amperímetro indica a corrente efetiva.

Figura 8-196 Fator de potência em um circuito de CA.

O produto dessas duas leituras é chamado de potência aparente. Somente o circuito de

C.A. é formado de resistência, e a potência aparente é igual à potência real (verdadeira) como mostrado na figura 8-196..

Quando há capacitância ou indutância no circuito, a corrente e a voltagem não estão exatamente em fase, e a potência verdadeira é menor do que a potência aparente.

A potência verdadeira é obtida por meio de um wattímetro.

A proporção entre a potência verdadeira e a aparente é chamada de fator de potência e é expressa em unidades percentuais. Na forma de equação, a relação é:

FP= Fator de Potência

FP =

100 x Watts (potencia verdadeira) volts x amperes (potencia aparente)

Problema:

Um motor de C.A. de 220 volts toma 50 ampères de uma linha, mas um wattímetro na linha mostra que somente 9.350 watts são tomados pelo motor.

Qual é a potência aparente e o fator de potência?

Solução:

Potência aparente = volts x ampères

= 220 x 50 = 11000 watts ou volt - ampères

FP =

Watts (potencia verdadeir a) x 100

=

VA (potencia aparente)

=

9350 x 100

=

11000

85 ou 85%

TRANSFORMADORES

Um transformador modifica o nível de voltagem, aumentando-o ou diminuindo-o como necessário. Ele consiste em duas bobinas eletricamente independentes, que são dispostas de tal forma que o campo magnético em torno de uma das bobinas atravessa também a outra bobina.

Quando uma voltagem alternada é aplicada a (através de) uma bobina, o campo magnético variável formado em torno dela cria uma voltagem alternada na outra bobina por indução mútua.

Um transformador também pode ser usado com C.C. pulsativa, mas voltagem C.C. pura não pode ser usada, já que apenas uma voltagem variável cria o campo magnético vari-

ável, que é a base do processo de indução mútua.

Um transformador consiste de três partes básicas, conforme mostrado na figura 8-197.

São elas: um núcleo de ferro, que proporciona um circuito de baixa relutância para as linhas de força magnética; um enrolamento primário, que recebe a energia elétrica da fonte de voltagem aplicada; um enrolamento secundário, que recebe energia elétrica, por indução, do enrolamento primário.

Figura 8-197 Transformador com núcleo de ferro.

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O primário e o secundário deste transformador de núcleo fechado são enrolados sobre um núcleo fechado, para obter o máximo efeito indutivo entre as duas bobinas.

Existem duas classes de transformadores: (1) transformadores de voltagem, usados para aumentar ou diminuir voltagens; e (2) transformadores de corrente, usados em circuitos de instrumentos.

Nos transformadores de voltagem, as bobinas primárias são ligadas em paralelo com a fonte de voltagem, conforme mostrado na figura

8-198, letra “A”.

Os enrolamentos primários dos transformadores de corrente são ligados em série no circuito primário (“B” da figura 8-198). Dos dois tipos, o transformador de voltagem é o mais comum.

Existem muitos tipos de transformadores de voltagem. A maioria deles é de transformadores de aumento ou diminuição.

O fator que determina um ou outro tipo é a proporção de espiras, que é a relação entre o número de espiras do enrolamento primário e do secundário.

Figura 8-198 Transformador de voltagem e de o secundário. ras de 1 por 4. corrente.

Por exemplo, a proporção de espiras do transformador de redução mostrado em “A” da figura 8-199 é 5 por 1, tendo em vista que o primário possui cinco vezes mais espiras do que

O transformador de elevação mostrado em “B” da figura 8-199 tem uma razão de espi-

Considerando-se 100% de eficiência, a proporção entre a voltagem de entrada e a de saída de um transformador é a mesma que a do número de espiras no primário e secundário.

Bobina primária

10 voltas

Bobina

Primária

2 voltas

A

Bobina

Secundária

2 voltas

Bobina

Secundária

8 voltas

B

Figura 8-199 Transformadores de redução e de elevação.

Assim, quando 10 volts são aplicados ao primário do transformador mostrado em “A” da figura 8-199, dois volts são induzidos no secundário.

Se 10 volts forem aplicados ao primário do transformador mostrado na letra “B” da figura 8-199, a voltagem nos terminais do secundário será 40 volts.

É impossível construir um transformador com 100% de eficiência, porque não são todas as linhas de força do primário que conseguem cortar a bobina do secundário. Uma certa quantidade de fluxo magnético vaza do circuito magnético.

O grau de eficiência como o fluxo do primário, que é aproveitado no secundário, é chamado de “coeficiente de acoplamento”.

Por exemplo, se for concebido que o primário de um transformador desenvolve

10.000 linhas de força, mas apenas 9.000 passam através do secundário, o coeficiente de acoplamento seria 9 ou, dito de outra maneira, o transformador teria 90% de eficiência.

Quando uma voltagem de C.A. é ligada através dos terminais do primário de um transformador, fluirá uma corrente alternada, ocorrendo auto-indução de uma voltagem na bobina do primário, a qual será oposta e aproximadamente igual à voltagem aplicada.

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A diferença entre estas duas voltagens permite apenas a corrente suficiente no primário, para magnetizar o seu núcleo. Isto é chamado de corrente de excitação ou magnetização. O campo magnético provocado por esta corrente de excitação corta a bobina do secundário e induz uma voltagem por indução mútua.

Se uma carga for conectada através da bobina secundária, a corrente de carga fluindo através da bobina secundária produzirá um campo magnético, que tenderá a neutralizar o campo magnético produzido pela corrente do primário. Isto reduzirá a voltagem auto-induzida

(oposição) na bobina do primário e permitirá fluir mais corrente no primário.

A corrente do primário aumenta conforme a corrente de carga do secundário aumenta e diminui conforme a corrente de carga do secundário diminui.

Quando a carga do secundário é removida, a corrente do primário é então reduzida a uma pequena corrente de excitação, suficiente somente para magnetizar o núcleo de ferro do transformador.

Quando um transformador eleva a voltagem, ele reduz a corrente na mesma proporção.

Isto fica evidente em se considerando a fórmula de potência elétrica (I x E) e que a potência desenvolvida no secundário é a mesma do primário, menos a energia perdida no processo de transformação. Assim, se 10 volts e 4 ampères

(40 watts de potência) são usados no primário para produzir um campo magnético, haverá 40 watts de potência desenvolvidos no secundário

(desconsiderando qualquer perda).

O transformador tendo uma proporção de elevação de 4 por 1, a voltagem através do secundário será de 40 volts e a corrente será de

1 ampère. A voltagem é 4 vezes maior e a corrente é um quarto dos valores do circuito primário, mas a potência (valor de I x E) é a mesma.

Quando a proporção de espiras e a voltagem de entrada são conhecidas, a voltagem de saída pode ser determinada da seguinte forma:

E

E

2

1

=

N

N

2

1

Onde E é a voltagem do primário, E voltagem de saída do secundário e N e N

2

2

é a

são o número de espiras do primário e do secundário, respectivamente.

Transpondo a equação, para achar a voltagem de saída, temos:

E

2

=

2

N

1

Os transformadores de voltagem mais comumente usados são os seguintes:

(1) Transformadores de potência, que são usados para elevar ou reduzir voltagens e correntes em muitos tipos de fontes de força. Eles variam desde os pequenos transformadores de potência mostrados na figura 8-200, usados num rádio-receptor, até os grandes transformadores utilizados para reduzir alta-tensão para o nível de

110/120 volts usados domesticamente. Na figura 8-201, o símbolo esquemático para um transformador de núcleo de ferro é mostrado. Neste caso, o secundário é constituído por três enrolamentos distintos. Cada secundário possui um ponto intermediário de ligação, chamado “center tap”, que proporciona a seleção de metade da voltagem do enrolamento inteiro.

Os terminais dos vários enrolamentos são identificados por código de cores, pelos fabricantes, conforme indicado na figura 8-201. Este é um código de cores padronizado, mas outros códigos ou números podem ser utilizados.

(2) Transformadores de áudio parecem transformadores de potência. Eles têm apenas um secundário e destinam-se a funcionar na faixa de audiofreqüências (20 a 20.000 c.p.s.)

Figura 8-200 Transformador de potência.

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ções apresentadas para os terminais primário e secundário.

Figura 8-201 Símbolo esquemático para um transformador com núcleo de

ferro.

(3) Transformadores de RF destinam-se a operar em equipamentos que funcionam na faixa de freqüência de rádio. O símbolo para os transformadores de

RF é o mesmo usado para bobinas de

RF. Têm núcleo de ar, conforme mostrado na figura 8-202.

Figura 8-202 Transformadores com núcleo de ar. usados em circuitos de força; entretanto, eles podem ser destinados a outros usos. Dois símbolos diferentes de autotransformadores usados em circuitos de força ou áudio são mostrados na figura

8-203. Quando usados em circuito de navegação ou de comunicação RF (B da figura 8-203), são os mesmos, não havendo nenhum símbolo para núcleo de ferro.

Os autotransformadores usam parte do enrolamento como primário; e dependendo de elevação ou redução, ele usa todo ou parte do mesmo enrolamento como secundário. Por exemplo, o autotransformador mostrado em “A” da figura 8-203 poderia usar as várias combina-

Figura 8-203 Autotransformadores.

Transformadores de corrente

São usados em sistemas de fonte de for-

ça de C.A., para captar a corrente da linha do gerador e prover uma corrente, proporcional à corrente de linha, para circuito de proteção e dispositivos de controle.

O transformador de corrente é um transformador do tipo anel, usando um terminal de força condutor de corrente como primário (tanto o terminal de força ou o terminal de aterramento de gerador). A corrente no primário induz uma corrente no secundário, por indução magnética.

Os lados de todos os transformadores de corrente são marcados “H1” e “H2”, na base. Os transformadores devem ser instalados com o lado “H1” na direção do gerador, no circuito, mantendo a polaridade apropriada.

O secundário do transformador não pode jamais ficar aberto quando o sistema estiver funcionando, caso contrário, isto provocaria altas voltagens perigosas e poderia superaquecer o transformador.

Portanto, as conexões de saída do transformador precisam estar sempre conectadas com um “jumper” quando o transformador não estiver sendo usado, mas permanece no sistema.

Perdas dos transformadores

Juntamente com a perda de energia provocada por acoplamento imperfeito, os trans-

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formadores estão sujeitos à perdas do “ferro” e do “cobre”. A perda do “cobre” é causada pela resistência do condutor, envolvendo as espiras da bobina. Existem dois tipos de perdas do “ferro”, chamados perda por histerese e perda por

Eddy current”.

A primeira, é a energia elétrica requerida para magnetizar o núcleo do transformador, mudando de direção juntamente com a voltagem alternada aplicada.

A segunda, é provocada por correntes elétricas (Eddy current) induzidas no núcleo do transformador pelas variações dos campos magnéticos. Para reduzir as perdas por “Eddy cur-

rent

” os núcleos são feitos de camadas laminadas com isolação, que reduzem a circulação de correntes induzidas.

Potência em transformadores

Como um transformador não adiciona nenhuma eletricidade ao circuito, mas meramente modifica ou transforma a eletricidade que já existe nele, de uma voltagem noutra, a quantidade total de energia no circuito permanece a mesma.

Se fosse possível construir um transformador perfeito, não haveria perda de força nele; a energia seria transferida sem eliminação, de uma voltagem noutra.

Já que a potência é o produto da voltagem pela amperagem, um aumento da voltagem pelo transformador resultará numa diminuição da corrente e vice-versa. Não pode haver maior potência no lado do secundário de um transformador do que existir no lado do primário. O produto de ampères vezes volts permanece o mesmo.

A transmissão de força por longas distâncias é realizada por meio de transformadores.

Na fonte de força a voltagem é elevada para reduzir a perda na linha durante a transmissão.

No ponto de utilização, a voltagem é reduzida, já que não é praticável o uso de alta voltagem para operar motores, luzes ou outros aparelhos elétricos.

Ligação de transformadores em circuitos de

C.A.

Antes de estudar as várias maneiras de ligar transformadores em circuitos de C.A., as diferenças entre circuitos monofásicos e trifásicos precisam ser claramente entendidas.

Num circuito monofásico, a voltagem é gerada por uma bobina alternadora. Esta voltagem monofásica pode ser obtida de um alternador monofásico ou de uma fase de um alternador trifásico, conforme será abordado adiante, no estudo de geradores de C.A.

Num circuito trifásico, três voltagens são geradas por um alternador com três bobinas distintas, ocorrendo que as três voltagens geradas são iguais mas atingem seus valores máximos em tempos diferentes. Em cada fase do gerador trifásico com 400 ciclos, um ciclo é gerado a cada 1/400 segundos.

Em sua rotação, o pólo magnético cruza uma bobina e gera uma voltagem máxima, um terço de ciclo (1/1200 segundos), depois ele cruza uma outra bobina e gera nela uma alta voltagem. Isto ocasiona voltagens máximas geradas nas três bobinas, sempre separadas um terço de ciclo (1/1200 segundos).

Os geradores trifásicos primitivos eram ligados às suas cargas com seis fios e todos eles conduziam corrente.

Posteriormente, experiências provaram que o gerador forneceria mais força com as bobinas conectadas, de tal modo que somente três fios eram necessários para as três fases, conforme mostrado na figura 8-204.

Figura 8-204 Gerador de três fases usando três condutores.

O uso de três fios é padrão para transmissão de força trifásica, atualmente. O retorno de corrente de qualquer uma bobina do alternador flui, voltando através dos outros dois fios no circuito trifásico.

Os motores trifásicos e outras cargas trifásicas são ligados com suas bobinas ou elementos de carga colocados de tal forma que

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requerem três linhas para disponibilização de força.

Os transformadores que são usados para elevação de voltagem ou redução, num circuito trifásico, são ligados eletricamente de modo que a força é fornecida para o primário e tomada do secundário pelo sistema trifásico padrão.

Entretanto, transformadores monofásicos e lâmpadas e motores monofásicos podem ser ligados através de uma das fases do circuito trifásico, conforme mostrado na figura 8-205. formador com esta ligação somente a metade da saída do secundário é usada.

Figura 8-205 Transformador de redução usando sistema bifásico.

Quando cargas monofásicas são ligadas em circuitos trifásicos, as cargas são distribuídas igualmente pelas três fases para balancear as três bobinas do gerador.

Um outro uso do transformador é o monofásico com várias tomadas no secundário.

Com este tipo de transformador, a voltagem pode ser diminuída para prover várias voltagens de trabalho, conforme mostrado na figura 8-206.

Figura 8-206 Tomadas do secundário de um transformador.

Um transformador, com tomada central alimentando um motor de 220 volts, acompanhado de quatro lâmpadas de 110 volts, é mostrado na figura 8-207.

O motor é ligado através do transformador integral, e as lâmpadas são ligadas da tomada central para uma das extremidades do trans-

Figura 8-207 Transformador de redução usando sistema trifásico.

Este tipo de ligação do transformador é amplamente usado em aeronaves por causa das combinações de voltagens, que podem ser obtidas de um transformador.

Várias voltagens podem ser tomadas do enrolamento secundário do transformador, colocando-se tomadas (durante a fabricação) em vários pontos ao longo dos enrolamentos secundários.

Os valores variados de voltagem podem ser obtidos utilizando-se qualquer dupla de tomadas, ou uma tomada e qualquer das extremidades do enrolamento secundário.

Transformadores para circuitos trifásicos podem ser ligados em qualquer uma das várias combinações das ligações “ípsilon (y) e delta

(

∆)”. A ligação usada depende dos requisitos para o transformador.

Quando a ligação ípsilon é usada em transformadores trifásicos, um quarto fio ou neutro pode ser usado. O fio neutro liga equipamentos monofásicos ao transformador. As voltagens (115v) entre qualquer uma das linhas trifásicas e o fio neutro podem ser usadas por dispositivos como lâmpadas ou motores monofásicos.

Todos os quatro fios, em combinação podem fornecer energia de 208 volts, trifásica, para funcionamento de equipamentos trifásicos, tais como motores trifásicos ou retificadores.

Quando apenas equipamento trifásico é usado, o fio terra pode ser omitido. Isto permite um sistema trifásico de três fios, conforme ilustrado na figura 8-208.

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Figura 8-208 Primário e secundário com liga-

ção ípsilon (Y).

A figura 8-209 mostra o primário e o secundário com ligação delta. Com este tipo de ligação, o transformador tem a mesma saída de voltagem da voltagem de linha.

Entre quaisquer das duas fases, a voltagem é 240 volts. Neste tipo de ligação, os fios

A, B e C podem fornecer 240 volts de força trifásica para operação de equipamentos trifásicos.

Análise e pesquisa de panes em transformadores

Existem ocasiões em que um transformador precisa ser testado quanto a interrupções e “curtos” e, é muitas vezes, necessário determinar se um transformador é de elevação ou redução.

Um enrolamento aberto pode ser localizado por meio de um ohmímetro, conforme mostrado na figura 8-210. Ligado conforme demonstrado, o ohmímetro marcaria resistência infinita. Se não houvesse interrupção na bobina, ele indicaria o valor de resistência do fio da bobina. Também o primário, quanto o secundário, podem ser testados da mesma maneira.

Figura 8-210 Testando quanto ao rompimento do enrolamento de um transformador.

O ohmímetro pode também ser usado para testar enrolamentos “em curto”, conforme demonstrado na figura 8-211, entretanto, este método não é preciso. Se, por exemplo, o transformador tendo 500 espiras, e uma resistência de 2 ohms estivesse com 5 espiras “em curto”, a resistência seria reduzida, aproximadamente

1,98 ohms, que não seria o suficiente para ser lido no ohmímetro.

Figura 8-209 Primário e secundário com ligação delta.

O tipo de ligação usado para bobinas primárias, pode ou não, ser o mesmo usado para bobinas secundárias. Por exemplo, o primário pode ser uma ligação delta e o secundário uma ligação ípsilon.

Isso é chamado de ligação delta-ípsilon de transformador. Outras combinações são delta-delta, ípsilon-delta e ípsilon-ípsilon.

Figura 8-211 Testando quanto a “curto” no enrolamento de transformadores.

Neste caso, a voltagem de entrada pode ser aplicada ao primário para permitir medição da voltagem de saída no secundário. Se a voltagem no secundário for baixa pode ser concluído que o transformador tenha alguns enrolamentos

“em curto”, e ele deva ser substituído. Se a vol-

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