A conclusão do curso foi apresentada à Faculdade de Física da Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará de acordo com os requisitos para obtenção do título de Licenciatura em Física. Dedico este trabalho aos meus pais pelos valores e dedicação, minha querida esposa e filha que sempre me apoiaram em minha trajetória acadêmica. A todos os meus colegas da turma de física de 2012 pela parceria e interação ao longo dos anos do curso.
Aos amigos e colegas que fiz durante meus anos na Celpa, Igor Sá, Altair Rodrigues, Igor Romulo, Welton Lameira, Joséli Morais, Rosiney Souza, Gerald Alves, Max Leitão, Valdick Feitosa, Dex Santos, Artur Lameira, que sempre me apoiaram e incentivaram na medida do possível em minha vida acadêmica. Este trabalho trata de forma simplificada de uma série de informações sobre os princípios concernentes ao funcionamento do transformador, sua utilização e algumas de suas peculiaridades. Hoje, a invenção do transformador possibilitou o desenvolvimento de um complexo sistema de transmissão de energia elétrica, que inclui uma grande variedade de equipamentos em diferentes níveis de tensão.
As vantagens dessa ferramenta foram amplamente reconhecidas pela indústria quando ela surgiu, pois possibilitava transmitir eletricidade a longas distâncias de forma econômica, segura e com baixíssimas perdas. Através do estudo dos transformadores, podemos entender como a corrente elétrica pode ser transportada de um circuito elétrico para outro através do acoplamento de um campo magnético variável no tempo, com ambos os circuitos eletricamente isolados. Os transformadores são o elo entre geradores, grandes hidrelétricas, termelétricas, linhas de transmissão e entre linhas de diferentes níveis de tensão para os consumidores, pois reduzem ou aumentam a tensão para os níveis de distribuição adequados.
Este trabalho foi desenvolvido a partir de pesquisas em livros, tutoriais, revistas e pesquisas na internet, para a elaboração e construção de um pequeno transformador de corrente de forma prática.
Justificativa
Foram feitas análises e medições para dimensionamento e seleção de material para a construção do transformador e seus componentes.
Objetivos gerais
Objetivos Específicos
A partir dessas primeiras descobertas, vários estudiosos e cientistas propuseram teorias para explicar os fenômenos elétricos e magnéticos. No início do século XIX, verificou-se que os fenômenos magnéticos eram estimulados por cargas elétricas em movimento, dando origem ao campo de estudo denominado eletromagnetismo.
Propriedades magnéticas
Os primeiros ímãs foram encontrados na Ásia, em um distrito da Grécia antiga chamado Magnésia, daí o termo "magnetismo". O experimento consistia em colocar uma agulha magnetizada paralela a um fio reto por onde passaria uma corrente elétrica. Oersted observou que uma agulha magnetizada, quando uma corrente elétrica atravessava o circuito, virava sua direção norte-sul, seu desvio era perpendicular ao fio, quando parava o fluxo de corrente, a agulha voltava a sua orientação como no estado anterior.
Quando você conecta as extremidades de um condutor aos terminais de uma bateria, haverá um campo elétrico dentro desse condutor que tem uma direção do pólo positivo para o pólo negativo. Com o aparecimento do campo elétrico, os elétrons livres são expostos a uma força elétrica, que tem sentido contrário ao do campo elétrico, devido à carga negativa dos elétrons, que altera seu deslocamento, eles se movem com a direção e direção correspondente à da força elétrica.
Campo magnético dos imãs
Mas como explicar no caso dos imãs como surge o campo magnético se não há movimento dos elétrons. A resposta a essa pergunta é que o campo magnético dos ímãs é atribuído às cargas elétricas (elétrons) que circulam em torno dos átomos, o que cria o chamado dipolo magnético. A Figura 5 mostra a representação do campo magnético de uma barra magnética, que resulta da orientação dos dipolos.
As linhas que compõem o campo magnético são chamadas de linhas de indução, e concorda-se que são.
Vetor indução magnética
Uma vez que a direção do campo magnético varia de acordo com a direção da corrente elétrica no circuito.
Força magnética sobre cargas elétricas
A força magnética, por ser uma quantidade vetorial, além de seu valor, é necessário determinar sua direção e direção. A direção que a força magnética toma depende de como a carga q é lançada no campo magnético uniforme.
Força magnética sobre um condutor imerso em um campo Magnético
Força magnética entre condutores paralelos
Indução eletromagnética
Campos magnéticos surgem em torno dos elétrons que interagem com o campo uniforme 𝐵⃗ , manifestando assim uma força magnética 𝐹 𝑚. Essa força magnética, por sua vez, força os elétrons para um lado do condutor. Com a ausência de elétrons, por outro lado, surge um campo elétrico 𝐸⃗, fazendo com que os elétrons permaneçam sujeitos a uma força elétrica 𝐹 𝑒, no sentido oposto à força magnética.
Considerando que, se as forças não estiverem equilibradas, a separação de cargas é contínua, o campo elétrico no condutor não será zero e haverá uma diferença de potencial entre os terminais do condutor que é chamada de tensão induzida 𝑒.
Lei de Lenz
Quando você aproxima o imã da bobina, a corrente induzida na bobina gera um campo magnético que tende a afastar o imã, e quando você afasta o imã, é criado um campo induzido na bobina que tende a atraí-lo. Devido a esse desempenho, é possível definir o sentido da corrente induzida com a regra da mão direita, que correlaciona campo magnético e corrente elétrica.
Transformador
- Transformador ideal
- Transformador real
- Autotransformador
- Transformador trifásico
Na folha "E", a área da seção transversal do centro é o dobro da área da seção transversal das laterais; portanto, devido à simetria do núcleo, o fluxo magnético gerado no centro é dividido em duas partes iguais nas laterais. Um transformador ideal pode ser entendido como aquele em que o acoplamento existente entre seus enrolamentos é perfeito e todos abrangem a mesma soma de fluxos. As perdas ocorridas no núcleo de ferro dependem da densidade de fluxo 𝐵⃗ , ou seja, da tensão elétrica que será aplicada em seu terminal.
As perdas de um transformador podem ser analisadas em dois diferentes modos de operação, conforme demonstrado a seguir. Resumidamente, as perdas sem carga de um transformador ocorrem no núcleo de ferro e são caracterizadas por perdas causadas por correntes parasitas ou parasitas e por histerese magnética. Essas perdas de energia são convertidas em calor, que é gerado dentro do núcleo de ferro do transformador.
Se o material ferromagnético for submetido a um campo alternado, como é o caso do núcleo de um transformador, é necessário que o circuito elétrico primário do transformador transfira a energia para o campo magnético, que é devolvido na forma de calor. 14 Gauss é a unidade CGS de densidade de fluxo magnético ou indução magnética (B), em homenagem ao matemático e físico alemão Carl Friedrich Gauss. A Equação 2.15 permite, em geral, um cálculo simplificado das perdas por histerese do núcleo do transformador por 1 kg de ferro-silício.
No primeiro caso, as perdas no cobre correspondem apenas à corrente de magnetização que flui pelo enrolamento primário do transformador e, no segundo caso, à corrente absorvida pela carga conectada aos seus terminais secundários. A densidade de corrente pode ser determinada com base na seção transversal dos fios nos enrolamentos primário e secundário. O autotransformador consiste em um enrolamento no qual existem vários condutores, onde é possível atingir vários níveis de tensão.
Ao contrário de um transformador convencional de dois enrolamentos, ele não possui isolamento elétrico entre o primário e o secundário e, portanto, não pode. Sua utilização depende da viabilidade do projeto, pois é um equipamento de alto custo, pois requer o uso de um fasor em zigue-zague. A transformação trifásica pode ser feita usando um único transformador ou uma série de transformadores monofásicos.
Aspectos Construtivos
Enrolamentos
Núcleo
Isolação
- Perdas em vazio
- Perdas em carga
- Geração de harmônicos
Materiais
Metodologia
2º Passo – Como o núcleo a ser utilizado provém de um transformador existente, será necessário estimar a potência deste núcleo, para verificar se atende ao projeto, com auxílio de um paquímetro ou régua, medir a coluna central do núcleo para determinar sua área. Nesse caso, o núcleo atende à especificação de projeto, pois a força de projeto é menor que a força do núcleo. 3º Passo – Nesta etapa será determinada a seção geométrica dos condutores que serão utilizados para compor os enrolamentos primário e secundário do transformador.
6º Passo – Calcule a seção geométrica subtraindo 10% a mais, devido à existência de material isolante (verniz) entre as lâminas do núcleo. 9º passo - Nesta etapa é calculada a área das janelas do núcleo, ou seja, o espaço por onde passam os enrolamentos. 10º passo – O autor recomenda verificar a possibilidade de realizar o projeto, ou seja, se a abertura da janela do núcleo permitirá a passagem dos enrolamentos, a constante deve permanecer ≥ 3 se esta relação for menor que 3.
15º passo – Nesta etapa é possível calcular o peso total do enrolamento de cobre, detalhe muito importante pois o condutor só é vendido por quilo no comércio. Os valores das grandezas elétricas medidas no transformador foram satisfatórios, pois ficaram dentro da tolerância especificada. Os resultados desta prática foram satisfatórios, ao final da montagem, a amostra foi testada e os valores da medição prática foram comparados com os valores de projeto, sendo verificada a eficiência do método.
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