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APRESENTAÇÃO
Esta apostila corresponde ao primeiro capítulo do curso de Eletrotécnica, o qual tem como finalidade introduzir ao aluno do curso de Engenharia Produção os principais fundamentos da Eletrotécnica, de maneira simples e prática. Todos os assuntos do curso serão voltados ao chão de fábrica, ou seja, terão uma abordagem mais técnica, e não somente focada na engenharia.
PROFESSOR: Leonardo Jose Amador Salas Maldonado
EMENTA:

Circuitos de corrente contínua: série, paralelo e misto. Voltímetros. Amperímetros. Corrente alternada. Transformadores. Circuitos magnéticos. Eletroímã. Máquinas de corrente contínua. Máquinas de corrente alternada. Alternadores. Motores monofásicos e trifásicos. Ensaios elétricos de instalação. Chaves magnéticas. Disjuntores. Acessórios para iluminação.



Introdução:
SEGUNDA GUERRA MUNDIAL
Tratado de Versalles > Engenharia de produção







Ferdinand Porsche –




Professor Doktor Ingenieur Honoris Causa (Dr. h.c. Ing.) 
 (Maffersdorf, 3 de setembro de 1875 — Stuttgart, 30 de janeiro de 1951)

Produção industrial segunda guerra


Engenharia no ano século XXI - OBSOLENCIA PROGRAMADA
Procura de uma solução de engenharia NÃO MUITO BOA

Conhecida como “Centennial Light Bulb”, ou lâmpada centenária, ela está localizada em uma central de bombeiros na Califórnia e foi instalada em 1901. Desde então, a lâmpada de 60 watts funciona 24 horas por dia, operando com cerca de 4 watts. A data exata do início de seu funcionamento não é conhecida, mas o aniversário do curioso objeto acontece no dia 18 de junho.

O problema de Europa é o problema mundial:
“Comprar coisas que não preciso com dinheiro que não tenho “ > Agiotagem bancário


Uma breve História
No século XVIII o francês Alejandro Volta inventou a pilha, com isto os físicos da época dispuseram de uma nova forma de energia, a energia elétrica limpa e fácil de transmitir .

A corrente continua resultou ser tão útil que primeiramente substituiu os sistemas de iluminação a gás, e posteriormente, com o invento do motor elétrico, se utilizou também como uma fonte motriz. Em 1838, Samuel Morse inventor do telégrafo começa a utilizar a corrente continua para a transmissão de dados.

O problema que a energia elétrica em corrente continua apresentava era a transmissão a longas distâncias devido a que sua perda era significativa, estas são conhecidas por perdas de linhas ou perdas por efeito Joule, as quais dependem da corrente e a resistência do material condutor.

A solução técnica da época foi mudar de corrente continua para alternada já que esta permite a utilização de transformadores.





Nikola Tesla (Eng elétrico Yugoslavo)
Veja como é um sistema de transmissão de energia elétrica:

[Ver filminho.]





Definição de transformador:

É um equipamento estático que transfere energia entre seus enrolamentos provocando a variação dos valores de tensão e corrente mantendo os valores de potência e de freqüência constantes. Constituído de dois enrolamentos e um núcleo que os interliga magneticamente.




Leis fundamentais do eletromagnetismo
Experiência de Oersted:

“Todo condutor percorrido por uma corrente elétrico cria em torno de si um campo magnético”.





Lei de Faraday:

“Todo condutor mergulhado em um campo magnético variável terá em seus terminais uma fem (força eletromotriz) induzida”.

e(t) = - onde: N = número de espiras

= variação do fluxo magnético no tempo


Lei de Lenz:
“A corrente que aparece em um circuito elétrico fechado, em função de uma fem (força eletromotriz) induzida, tem sentido tal a anular a causa que lhe deu origem”.








A energia elétrica é utilizada de duas formas, continua e alterna.


Corrente Contínua:

É a corrente que passa através de um condutor ou de um circuito elétrico somente em um sentido. Uma fonte de tensão contínua pode variar o valor de sua tensão de saída, mas se a polaridade for mantida a corrente fluirá somente em um sentido.







Corrente Alternada:

São correntes que possuem picos positivos e negativos passando por um valor nulo num intervalo de tempo.




Leis fundamentais da corrente continua
Lei de Ohm
A lei de OHM é uma fórmula matemática que estabelece a relação entre as três grandezas fundamentais da eletricidade: a corrente, a resistência e a tensão (tensão : também conhecida como diferença de potencial). Foi descoberta pelo alemão George S. Ohm.

As grandezas elétricas são representadas por símbolos (letras), veja a seguir:


Grandeza Símbolo Unidade

tensão U ou V Volt (V)

corrente I Ampère (A)

resistência R Ohm (Ω)

potência P Watts (W)

Tensão

A diferença de potencial entre os terminais de um circuito é igual ao produto da resistência desse circuito pela intensidade da corrente elétrica que passa por tal circuito.



Corrente

A intensidade da corrente elétrica que percorre o circuito é igual à divisão da diferença de potencial entre os terminais desse circuito pela resistência que esse circuito apresenta à passagem da corrente elétrica.

I = V / R

Resistência

A resistência que um circuito, apresenta a passagem da corrente elétrica é igual à divisão da diferença de potencial (tensão) entre os terminais desse circuito pela intensidade da corrente que por ele passa.

Veja como fica a representação da lei de OHM através de uma fórmula matemática:

R = V / I


Potência

A potência elétrica corresponde a um triangulo onde temos 3 componentes , a hipotenusa chamada de potencia aparente em VA , o cateto adjacente , chamada de potencia ativa em watt e o cateto oposto chamada de potencia reativa em VAR .

O ângulo formado entre a hipotenusa e o cateto adjacente se conhece como e seu coseno como fator de potencia. Quando o ângulo entre a tensão e a corrente e zero o fator de potencia é unitário nesta condição a potencia aparente se iguala a potencia ativa.

Exemplo “ O chuveiro

Leis de Kirchhoff
As Leis de Kirchhoff são empregadas em circuitos elétricos mais complexos, como por exemplo circuitos com mais de uma fonte de resistores estando em série ou em paralelo. Para estudá-las vamos definir o que são Nós e Malhas:

Nó: é um ponto onde dois (ou mais) condutores são ligados.


Malha: é qualquer caminho condutor fechado.

Fig. 1: Circuito com várias malhas e nós

Analisando a figura 1, vemos que os pontos a e d são nós, mas b, c, e e f não são. Identificamos neste circuito 3 malhas definidas pelos pontos: afed, adcb e badc.

Primeira lei de Kirchhoff (lei dos nós)

Em qualquer nó, a soma das correntes que o deixam(aquelas cujas apontam para fora do nó) é igual a soma das correntes que chegam até ele. A Lei é uma conseqüência da conservação da carga total existente no circuito. Isto é uma confirmação de que não há acumulação de cargas nos nós.




Segunda lei de Kirchhoff (lei das malhas)

A soma algébrica das forças eletromotrizes (f.e.m) em qualquer malha é igual a soma algébrica das quedas de potencial ou dos produtos iR contidos na malha.





Aplicando as leis de Kirchhoff

Exemplo 1: A figura 1 mostra um circuito cujos elementos têm os seguintes valores:


E1=2,1 V, E2=6,3 V, R1=1,7 Ώ, R2=3,5 Ώ. Ache as correntes nos três ramos do circuito.

Fig. 1: Circuito com várias malhas e nós

Solução: Os sentidos das correntes são escolhidos arbitrariamente. Aplicando a 1ª lei de Kirchhoff (Lei dos Nós) temos:

[Fazer exemplo] i1 + i2 = i3


Geração da tensão alternada

Funcionamento do gerador elementar, que é um tipo de fonte de fem, gera a corrente alternada. É dito elementar por ser um modelo simplificado dos grandes geradores. No entanto seu princípio de funcionamento é o mesmo que dos geradores encontrados em grandes usinas.


FIGURA 1 – GERADOR ELEMENTAR


E da forma de onda resultante do processo de geração que se obtém a fórmula da Tensão Instantânea:

A equação é também válida quando tratamos de corrente. Neste caso a equação fica:




Observe que são utilizadas letras minúsculas (e,i) para denotar uma grandeza na forma instantânea.
Conceitos sobre a tensão senoidais
Valor Instantâneo

=> Função senoidal
Valor de pico

Vp =


Valor de pico a pico

Vpp = 2


Valor médio

Vm =


No caso da corrente alterna Vm = 0
Valor efetiva

Ve =

No caso da expressão apresentada para a tensão instantânea Ve = V

Principio de Funcionamento do transformador:
Aplica-se uma tensão alternada (V1) ao enrolamento primário do transformador representado na figura abaixo. Verifica-se que o enrolamento primário é um circuito elétrico fechado aparecendo então uma corrente I0 denominada de corrente de excitação. Esta corrente cria no enrolamento primário um fluxo magnético variável (- ), conforme prediz a experiência de Oersted, que circulará pelo caminho de menor relutância oferecida pelo núcleo, cortando assim o enrolamento secundário originando uma fem (força eletromotriz) induzida, conforme prevê a Lei de Faraday.
Observe que para facilitar a explicação, considera-se que:


  • O transformador é ideal, isto é, sem perdas internas;

  • O secundário está em aberto (sem carga), logo sem circulação de corrente.


Relações do Transformador ideal
Da lei de Faraday tem-se:

e(t) = - , aproximando e(t) = V(t)

Então:

V1= - (primário) = > =


V2 = - (secundário) => =

Assim
=


Por tanto:


Do Conceito de Potência

A potência primária (S1)e a secundaria (S2) no transformador ideal é considerada iguais

Isto é S1 = S2 , ou seja, V1 I1 = V2 I2 =>

Associando as equações já vistas, tem-se:



= a = relação de transformação

Exercícios:

Em um transformador, o lado primário possui uma tensão de 220 volts e uma corrente de 6 Ampéres, enquanto que o lado secundário possui uma corrente de 32 Ampéres. Pede-se o valor da tensão no lado secundário deste transformador.



Termos utilizados em transformadores:

Transformador Monofásico:São transformadores que possuem apenas um conjunto de bobinas de Alta e Baixa tensão colocado sobre um núcleo.

Diagrama de um transformador monofásico



Disposição real das bobinas



Transformadores Trifásicos:

São transformadores que possuem três conjuntos de bobinas de Alta e Baixa tensão colocadas sobre um núcleo. O funcionamento é idêntico a um transformador monofásico, uma vez que a sua constituição é de três transformadores monofásicos entre si.





Tensão Nominal:São valores de tensão projetados e especificados pelo fabricante para funcionamento adequado do equipamento. Sempre que ligar um transformador deve-s observar as suas tensões nominais e e compará-las com tensões de linha e de carga para não danificar qualquer elemento do circuito.

Enrolamento Primário:É o enrolamento do transformador que recebe a energia.

Enrolamento Secundário:É o enrolamento do transformador que fornece a energia a uma carga.

Enrolamento de Alta Tensão (AT):É o enrolamento do transformador que possui maior valor de tensão nominal.

Enrolamento de Baixa Tensão (BT):É o enrolamento do transformador que possui menor valor de tensão nominal.

Transformador Elevador:São os transformadores que elevam os valores de tensão recebidos, isto é, o enrolamento primário coincide com o enrolamento de baixa tensão.

Transformador Abaixador:São os transformadores que abaixam os valores de tensão recebidos, isto é, o enrolamento primário coincide com o enrolamento de alta tensão.

Potência Nominal:É a máxima potência que pode ser transferida do enrolamento primário para o enrolamento secundário sem danos ao equipamento. Esta potência é especificada pelo fabricante e deve ser contida na placa de identificação. É fornecida em VA, KVA, MVA.

Corrente Nominal:É o valor de corrente que circula em um enrolamento quando o transformador estiver trabalhando com potência e tensão nominal.

Freqüência Nominal:É a freqüência para qual o equipamento foi projetado e fabricado. No caso do Brasil é de 60 Hz.

Classe de isolamento:É a classe que determina o valor da temperatura que os componentes do transformador devem suportar sem sofrerem alterações em suas características. É dada em 0C.



Classe de tensão de isolamento:É a classe que determina o valor de tensão que os componentes devem suportar sem danos as suas características iniciais. É dado em KV. ,assim a tensão de alimentação do transformador de distribuição é de 13,8 KV e a classe de tensão de isolamento é de 15 KV.

Parte Ativa:Formada pelos bobinados primários e secundários.

Impedância %:É um valor percentual que indica a queda de tensão produzida internamente em um transformador, dando também a ideia das perdas internas.



Corrente de Excitação:É a corrente que circula em um enrolamento do transformador quando este é alimentado com sua tensão nominal e o outro enrolamento está aberto. É representado por I0 e é dada em % da corrente nominal, sendo responsável pela produção do fluxo magnético e suprir perdas no núcleo. (usualmente não superior a 6% da corrente nominal.)

Correntes Parasitas ou Correntes de Foucault:Sendo o núcleo feito de um material condutor e este mergulhado em um campo magnético variável, segundo a Lei de Faraday, nele deverá induzir forças eletromotrizes. Considerando o núcleo como um circuito fechado nele aparecem correntes que são chamadas de correntes parasitas.

Estas correntes, por sua vez provocam perdas por aquecimento no núcleo. Para reduzir o valor desta corrente deve-se aumentar a resistência elétrica a sua laminação e isolação das chapas. Pode-se também, com este intuito, adicionar 4% de silício a composição das chapas.



Ferro maciço Ferro laminado



Histerese:Pode-se entender como a resistência que as partículas de um material ferromagnético oferece as mudanças de polaridade de um campo magnético.


Autotransformador:Um transformador pode ser constituído por um único enrolamento, sendo assim, o primário coincide com o secundário. Este tipo de transformador denomina-se de autotransformador, representado abaixo. Ele possui maior rendimento e pequenas perdas de capacidade em KVA, porém se usados para grandes variações de tensão estaremos sacrificando os itens de isolamento do primário e secundário.



Rendimento de um autotransformador:É a relação entre a potência que uma máquina fornece e a potência que a mesma recebe, podendo ser dado por: η = x 100%

Os transformadores são os aparelhos que apresentam os maiores rendimentos.



PolaridadeÉ a marcação existente nos terminais (dos enrolamentos) dos transformadores indicando o sentido da circulação de corrente em um determinado instante em conseqüência do sentido do fluxo produzido.




Transformador de Potência a Óleo :Os transformadores comumente utilizados na distribuição são do tipo imerso em óleo mineral, extraído do petróleo. Esses transformadores estão colocados em tanques cheios de óleo com radiadores para melhorar a troca térmica com o médio por efeito da convecção na superfície irradiadora .

As ligações do transformador devem ser realizadas de acordo com o diagrama de ligação de sua placa de identificação. É importante que se verifique se os dados da placa de identificação estão coerentes com o sistema ao qual o transformador vai ser instalado.

Com a finalidade de adequar a tensão do transformador à tensão de alimentação, o transformador é dotado de derivações (tap’s) que podem ser escolhidos mediante a utilização de um painel de ligações ou comutador.

O tanque deverá ser efetiva e permanentemente aterrado. Uma malha de terra permanente de baixa resistência é essencial para uma proteção adequada.

A malha de terra deverá ser ligada a esses conectores por meio de um cabo nú de cobre de bitola adequada e a mais curta possível.

Acessórios.

Desumidificador de Ar (Sílica-Gel): A fim de que sejam mantidos elevados os índices dielétricos do óleo dos transformadores estes são equipados com secadores de ar que absorvem a umidade do ar aspirado e que flui para o transformador.



Rele de Gás (tipo Buchholz):O relé Buchholz (figura abaixo) tem por finalidade proteger aparelhos elétricos que trabalham imersos em líquido isolante, detectando as descargas parciais geradas pela isolação defeituosa do enrolamento, do ferro ou mesmo contra a terra, podem causar avarias de grande monta caso o defeito permaneça despercebido do operador durante algum tempo.
RELE BUCHOLTZ




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