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Conversão Eletromecânica de Energia

Unidade 3
Seção 1

Engenharias, Ciências Exatas e da Terra

Conversão Eletromecânica de Energia

Unidade 3 - Seção 1

Dispositivos e Circuitos Indutores

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Unidade 3

Apresentação da Unidade

Indutores, Circuitos Trifásicos e Transformadores de Tensão e Corrente

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Convite ao Estudo

Nos dias atuais, o profissional engenheiro eletricista precisa ser flexível, pois, no mesmo momento em que lhe é solicitado o cálculo de perdas em um transformador, também pode ser solicitado a ele o dimensionamento do indutor adequado para produzir uma quantidade específica de fluxo magnético. Dessa maneira, é preciso que a teoria envolvida nos indutores, nos circuitos trifásicos e nos transformadores esteja muito clara.

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O que você vai “realizar”?

Imagine que você trabalhe como engenheiro em uma empresa distribuidora de energia elétrica. Essa distribuidora de energia elétrica, assim como todas as empresas desse ramo atualmente, está preocupada com o aumento da demanda de energia e com a falta de usinas geradoras de energia no Brasil para suprir a atual demanda de energia elétrica no país.

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Você foi recrutado para fazer parte da equipe responsável pelos projetos de desenvolvimento e implantação de uma pequena central hidrelétrica, tecnicamente chamada de PCH. Essa usina atende às tendências atuais do mercado de energia no que diz respeito à geração distribuída.

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Notícia recente!

Para uma melhor compreensão sobre o problema do aumento da demanda de energia no atual panorama elétrico brasileiro, sugerimos a leitura do artigo “Demanda por eletricidade no Brasil vai triplicar até 2050”.
Disponível em: <https://goo.gl/80jdGe>. Acesso em: 11 jan. 2017.
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Webaula 1

Dispositivos e Circuitos Indutores

Experimente

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Indutores e Circuitos em que esses Elementos estão Inseridos

A concessionária em que você trabalha solicitou que você faça alguns testes, realize algumas escolhas e determine alguns parâmetros da PCH que será implantada.

Primeiramente, de acordo com o gerador escolhido pela empresa, você terá de escolher a turbina mais adequada para essa PCH.

Depois, segundo solicitação da empresa, você terá de calcular a tensão induzida no enrolamento secundário do transformador elevador de tensão, localizado na subestação elevadora de tensão, para posteriormente dimensionar os TCs e TPs (transformadores de potencial e de corrente) para esse transformador.

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Escolha do Grupo Gerador

Sua primeira tarefa é escolher o grupo gerador a partir das exigências da concessionária e das características do local onde a PCH será construída.

Como a empresa de energia pede para que sejam utilizados “geradores síncronos” na PCH, de acordo com a disponibilidade deles, ela indicou um que gera a tensão trifásica de 2 kV na saída.

Em seu LIVRO DIDÁTICO há uma tabela para facilitar a escolha da turbina, de acordo com a topografia local. Dessa maneira, a primeira etapa foi realizada, agora falta você apresentar a turbina escolhida.

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Subestação Elevadora de Tensão

Na figura, observa-se a entrada da energia, à esquerda. Na entrada, os transformadores de potencial e de corrente (TPs e TCs) dão os níveis dessas grandezas. Em seguida, a energia vai para o transformador, onde é elevada para 34,5 kV e injetada no sistema de transmissão de energia. Depois, é rebaixada para 11,9 kV e distribuída aos consumidores no sistema de distribuição de energia.

Fonte: adaptada de: <https://goo.gl/41kZiI>. Acesso em: 11 jan. 2017.

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Gerador e turbina, usina hidrelétrica de Foz do Areia no Paraná (2003).
Disponível em: <https://goo.gl/HO2LWy>. Acesso em: 11 jan. 2017. Spohl from pt [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons.

O Conjunto “Turbina-Gerador” ou Grupo Gerador

Os geradores das usinas hidrelétricas são formados por uma turbina que promove a rotação mecânica necessária para se ter o movimento dos enrolamentos do rotor, ligado magneticamente ao estator, de onde tem-se a saída de energia trifásica para o sistema elétrico trifásico. Essa energia passará por transformadores para atingir o nível para a transmissão e para a distribuição até os centros consumidores.

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Características da PCH

Pode-se observar um exemplo de turbina hidráulica, no caso, uma Francis. Essa turbina é um exemplo de turbina de reação, ou seja, trabalha imersa em água.

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Exemplo de Grupo Gerador de uma PCH

Na figura, você pode observar um exemplo de grupo gerador de uma PCH.

Fonte: Arquivo pessoal.

Transformador

No problema proposto nesta seção, está envolvido o cálculo de grandezas magnéticas presentes nos transformadores, que, por sua vez, fazem parte das subestações de energia. Nessas subestações, acontece a elevação da tensão gerada nos geradores síncronos da Pequena Central Hidrelétrica (PCH) justamente pelos transformadores.

No transformador há dois enrolamentos, o primário e o secundário. Neles acontece a elevação ou o rebaixamento da tensão. Assim, esses elementos, no caso em estudo, têm o papel de fazer a conexão de dois sistemas, ou melhor, interligar dois sistemas com níveis diferentes de tensão.

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Os enrolamentos citados anteriormente são bobinas, as quais devem ser analisadas de maneira que fique bem claro para você o funcionamento delas quando da passagem de uma corrente elétrica, quanto à energia armazenada, na forma de campo magnético e na sua utilização em circuitos, como no caso de estudo, nos transformadores.

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Tópico de Estudo

Nesta seção você conhecerá as variáveis de estado e características dos indutores, aprenderá como calcular a energia magnética em um indutor, entenderá a diferença entre indutor linear e não linear e ainda estará apto a equacionar um circuito indutor.

Observe, a seguir, um indutor com e sem núcleo ferromagnético e sua respectiva simbologia:

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Dispositivos e Circuitos Indutores

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Força Magnetomotriz

A força magnetomotriz nos terminais da bobina será: 𝕴=𝑵.𝒊(𝒕)

Em que:

▸ 𝕴 = Força magnetomotriz [Ae] = ampere espira.

▸ 𝑵 = Número de espiras.

▸ 𝒊(𝒕) = Corrente elétrica [A] = ampere.

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Fluxo Magnético: 𝝓

O fluxo magnético produzido por esse indutor será: equa01
Em que:
▸ 𝝓 (t) = Fluxo magnético [Wb] = weber.
▸ 𝕴(𝒕) = Força magnetomotriz [Ae] = ampere espira.
▸ 𝕽(𝒕) = Relutância magnética total (relutância que o núcleo oferece ao fluxo magnético) equa03.

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Indutância

A indutância de uma bobina pode ser calculada por: equa02
Em que:
▸ 𝜆(𝑡) = Fluxo magnético total na bobina (wb).
▸ 𝑖(𝑡) = Corrente que atravessa a bobina (A).
▸ 𝐿 = Indutância da bobina (H).

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Tensão Induzida

A tensão induzida em outra espira será: equa04
Em que:
▸ 𝑁 = Número de espiras da bobina.
▸ equa05= Variação do fluxo magnético com o tempo.

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Tensão Induzida

A energia armazenada em um indutor é dada por: equa06
Em que :
▸ W = Energia [J].
▸ L= Indutância [H].
▸ I = Corrente que percorre o indutor [A].

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Sugerimos a leitura das páginas 77 e 78 do artigo “Setor elétrico no caminho da inovação”, da revista Pesquisa e Desenvolvimento da Aneel, que relata o desenvolvimento de ferramental para a manutenção em sistemas de distribuição de energia, energizados.
Disponível em: <https://goo.gl/CxM62n>. Acesso em: 11 jan. 2017.
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Bons estudos!

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