Eletrotecnica Geral 3

Sumário\n\nUnidade 3 | Transformadores, motores e geradores ____________ 3\nSeção 3.1 - Transformadores ______________________________ 5\nSeção 3.2 - Máquinas de corrente alternada ______________ 23\nSeção 3.3 - Máquinas de corrente contínua ______________ 40 Sumário\n\nUnidade 3 | Transformadores, motores e geradores ____________ 3\nSeção 3.1 - Transformadores ______________________________ 5\nSeção 3.2 - Máquinas de corrente alternada ______________ 23\nSeção 3.3 - Máquinas de corrente contínua ______________ 40 Sumário\n\nUnidade 3 | Transformadores, motores e geradores _____ 3\n\nSeção 3.1 - Transformadores _____________ 5\nSeção 3.2 - Máquinas de corrente alternada __ 23\nSeção 3.3 - Máquinas de corrente contínua ___ 40 Unidade 3\nTransformadores, motores e geradores\n\nConvite ao estudo\nOs transformadores, dispositivos elétricos capazes de converter tensão elétrica c.a. de um nível em tensão elétrica c.a. de outro nível na mesma frequência, possibilitam que a tensão gerada, tipicamente em níveis entre 12 a 25 kV, seja elevada para ser transmitida por longas distâncias. Em um nível de tensão maior, a mesma quantidade de potência pode ser transmitida com correntes menores, reduzindo as perdas e quedas de tensão ao longo das linhas. Nos centros de consumo, os transformadores possibilitam a redução das tensões a níveis compatíveis com os equipamentos dos seus consumidores.\n\nUma máquina elétrica é um dispositivo que pode converter tanto a energia mecânica em energia elétrica como a energia elétrica em energia mecânica. Quando este dispositivo é usado para converter energia mecânica em energia elétrica, ele é denominado gerador. Por outro lado, quando tal dispositivo é empregado para converter energia elétrica em energia mecânica, ele é denominado motor. Qualquer máquina elétrica pode ser usada tanto como gerador quanto motor, uma vez que qualquer máquina é capaz de fazer a conversão da energia em ambos os sentidos. (CHAPMAN, 2013)\n\nPor que transformadores, geradores e motores elétricos são tão importantes para a vida moderna? A resposta é simples: a energia elétrica é uma forma de energia eficiente, que pode ser obtida de maneira limpa, fácil de ser transmitida por longas distâncias e de ser controlada. Desta forma, ela pode ser gerada a partir de outra forma de energia, como a energia térmica em uma usina termelétrica. Em seguida, os transformadores possibilitam que a energia elétrica em c.a. possa ser transmitida por longas distâncias até os centros de consumo, onde pode ser utilizada em casas, escritórios, hospitais, indústrias etc. Os motores elétricos, por sua vez, produzem força motriz para acionar eletrodomésticos, como refrigeradores, freezers, aparelhos de ar-condicionado e também para mover grandes máquinas em indústrias.\n\nOs temas relativos aos transformadores, geradores e motores serão estudados nesta unidade. As três seções desta unidade estão divididas da seguinte maneira: na Seção 3.1, apresenta-se o transformador, incluindo uma breve introdução sobre o equipamento, o transformador ideal, o autotransformador e o transformador real; na Seção 3.2, apresentam-se as máquinas de corrente alternada, incluindo a produção de energia, o motor de indução, considerando as partidas plena e com tensão reduzida, e o gerador síncrono; por fim, na Seção 3.3, apresentam-se as máquinas de corrente contínua, contemplando temas como o gerador c.c. elementar e o motor c.c. elementar, ambos funcionando tanto como eletroímã quanto como ímã permanente.\n\nAo término desta unidade, você deverá dominar os conhecimentos básicos de transformadores, máquinas elétricas e ser capaz de resolver problemas que contemplam situações reais de engenharia elétrica. Para atingir este objetivo, deverá estudar com empenho os assuntos apresentados, resolver as questões propostas e pesquisar, sempre que sugerido, para complementar o seu estudo. Seção 3.1\nTransformadores\n\nDiálogo aberto\nO sistema elétrico de potência divide-se em geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. As distribuidoras recebem a energia dos agentes supridores, ou seja, das transmissoras, geradoras ou outras distribuidoras, e a entregam aos consumidores finais, sejam eles rurais, residenciais, comerciais, industriais, ou pertencentes a outras classes (ANEEL, 2017). A energia recebida pelas distribuidoras é sempre inferior à energia suprida pelos agentes supridores. Essa diferença é denominada perda de energia.\n\nNos sistemas de transmissão de energia elétrica, a maioria das perdas acontece por consequência do aquecimento (efeito Joule) nas extensas linhas de alta tensão que ligam as usinas geradoras às distribuidoras de energia. As perdas são proporcionais ao quadrado da corrente que flui pelas linhas e podem ser minimizadas (jamais evitadas) escolhendo-se um nível de tensão de transmissão que seja alto o suficiente para que as correntes sejam as menores possíveis, mantendo-se a mesma potência transmitida.\n\nNesse contexto, a empresa Global Transmission Ltd. foi contratada para projetar uma linha de transmissão que transmitirá uma potência de 50 MW com fator de potência 0,95 indutivo, por meio de uma linha de transmissão trifásica, que se estenderá desde uma usina geradora até o centro de consumo situado a 100 km de distância. Há um impasse na empresa sobre qual deve ser o nível de tensão de transmissão para que se tenha a menor perda de potência na linha. Alguns engenheiros da empresa afirmam que é melhor elevar a tensão de geração, que é 12,5 kV, até 138 kV. Outros afirmam que é melhor elevar a tensão de geração até 230 kV. Você, um engenheiro experiente, pegou o problema para si e provou, por meio de cálculos, qual será o melhor nível de tensão de transmissão. Considerando que o condutor possui resistência R = 2,964 10^-3 \u03a9/km, calcula-se a perda na linha através da resistência. Não pode faltar\n\nIntrodução\n\nA principal finalidade de um transformador é converter potência elétrica c.a. de um nível de tensão em potência elétrica c.a. de mesma frequência e outro nível de tensão. O princípio de funcionamento de um transformador baseia-se na lei de Faraday (CHAPMAN, 2013). Essa lei afirma que, se houver um fluxo magnético passando através de uma espira de fio conductor, então, uma tensão diretamente proporcional à taxa de variação do fluxo em relação ao tempo será induzida. Para compreender claramente esse conceito, analise a Figura 3.1, a qual ilustra um transformador monofásico composto de duas bobinas com Np e Ns espiras, respectivamente, envolvendo um núcleo de material ferromagnético. Entenda que o subscrito P denota primário e o subscrito S denota secundário.\n\nFigura 3.1 | Transformador monofásico\n\nCom uma fonte de tensão alternada Vp(t) conectada à bobina primária (ou enrolamento primário), a corrente ip(t) produz um fluxo magnético alternado, o qual, ao atravessar a bobina secundária (ou enrolamento secundário), induz uma tensão vs(t) proporcional ao número de espiras Ns e à taxa de variação do fluxo conectado com ela:\n\nvs(t)=Ns dλ(t)\n\n(3.1)