universidade federal rural do semi-árido campus angicos
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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO CAMPUS ANGICOS CURSO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA THAÍS RUSSIELY GUEDES MARTINS SISTEMAS POLIFÁSICOS EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ANGICOS-RN 2013 THAÍS RUSSIELY GUEDES MARTINS SISTEMAS POLIFÁSICOS EM SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido UFERSA, Campus Angicos, para a obtenção do título de Bacharel em Ciência e Tecnologia. Orientador: Prof. M.Sc. Edwin Luize Ferreira Barreto - UFERSA ANGICOS-RN 2013 Dedico este trabalho primeiramente a Deus, que me sustentou durante todos os dias permitindo que eu chegasse até aqui. E aos meus pais, Gilberto Martins de Oliveira e Cleide Guedes Moreira de Oliveira, que passaram por cima de todas as dificuldades encontradas me incentivando a prosseguir. AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus, por todas as coisas, pelas oportunidades, pela presença Dele em minha vida, pelo cuidado, por ter me guiado durante minha vida acadêmica, pelas experiências que Ele me permitiu passar e por ter me sustentado durante todas elas; sem Ele eu não teria conseguido essa conquista. A meus pais, Gilberto Martins de Oliveira e Cleide Guedes Moreira de Oliveira que batalharam para me manter, pelas orações, pelo cuidado, preocupação e por sempre terem me incentivado e me encorajado a chegar até aqui; amo muito vocês, essa conquista é pra vocês! Obrigada por tudo. Ao meu namorado Douglas, por sempre ter me ajudado na realização de muitos trabalhos acadêmicos, inclusive neste; por ter se mostrando prestativo todas as vezes que precisei de seu apoio. As minhas irmãs, Sara Danielly e Lara Almira, e ao meu cunhado Antônio Bezerra de Moura Junior, por toda ajuda concedida. Em especial ao meu professor, orientador Edwin L. F. Barreto por toda paciência, comprometimento, disponibilidade e ajuda dada, peça fundamental desta monografia; seu apoio e ajuda foram fundamentais para que eu concluísse mais esta etapa da minha vida. A minha família por sempre estar comigo me incentivando e torcendo por mim. Minhas avós, Maria de Lourdes e Almira Maria, pelas orações; às minhas tias e tios, primas e primos; em especial para Maria de Lurdes, Lúcia Martins, Aparecida Martins, Cleoneide Guedes, Claudenízia Guedes, Cleone Guedes, Sebastião Martins e Adelson Martins por sempre ter se feito presente e por todas as dicas e conselhos. Aos meus amigos que estiveram ao meu lado todos esses anos, me ajudando a atingir essa meta, que a pesar da distância sempre se mostraram presentes; Patrícia Rafaela, Ana Paula, Raniel Azevedo, Valciano Camilo, Alisson Gadelha, Samuel Camilo, Bruno Sena, Carlos Lima. Ao meu excelente grupo de estudo, pelo companheirismo e cumplicidade, pelo encorajamento mútuo; vocês são muito especiais pra mim, Otacília Barbalho, Lisarb Brasil, Dylson Junyer, Felipe Jales, Bruna Ravana, Aline Xavier, Rute Nóbrega. As minhas amigas, irmãs, companheiras e minha família em Angicos, com as quais convivi durante o período acadêmico. Durante todo esse tempo vocês deixaram algo de especial; nesse tempo juntas pudemos conhecer umas às outras, passamos momentos em comum e vivemos um processo de aprendizado mútuo; portanto, todas vocês se sintam especiais pra mim e acolhidas com um abraço bem apertado de „muito obrigada‟ por tudo! Joseane Azevedo, Andrezza Coutinho, Elys Eduarda, Maria Thayná, Mairlane Silva, Ana Katherine, Talita Raquel e Airla Luz. A todo o corpo docente que fez parte dessa conquista. Muitos passaram o que tinham de melhor para construir um pouco do nosso futuro juntamente conosco; além do profissionalismo criou-se um vínculo muito forte; todos vocês são muito especiais. “Que a luz da vida que há em nós possa brilhar no meio dessa geração.” Filipenses 2:15 RESUMO Com os avanços da ciência e da tecnologia, as diversas áreas do conhecimento têm sofrido modificações pertinentes a seus respectivos campos de atuação; por estar inclusa nessas tecnologias, a distribuição de energia elétrica não poderia passar despercebida. O sistema de distribuição conta com a utilização de meios e ferramentas que possuem aplicação imprescindível para sua ocorrência, como os transformadores de tensão, esses possuem enrolamentos característicos cujo emprego é voltado de acordo com a necessidade e os níveis de carga que o consumidor espera atingir. Atualmente, a tecnologia possibilitou a criação de diversos enrolamentos característicos para determinadas situações, será abordado o uso de alguns enrolamentos e, principalmente o delta-estrela aterrado, utilizado pela concessionária de energia do estado do Rio Grande do Norte; além dos transformadores, existem os sistemas de distribuição de energia (monofásicos ou polifásicos) que possibilitam ao consumidor receber a energia de que necessita de forma segura e confiável. Para que se compreenda a atuação das ferramentas utilizadas na distribuição é necessário tomar conhecimento de seu funcionamento que é englobado e explicado por conhecimentos básicos do eletromagnetismo. Tendo isso em vista realizou-se uma pesquisa de caráter bibliográfico acerca dos principais pontos que englobam este assunto, de forma a possibilitar uma adequada análise de circuitos elétricos permitindo uma devida compreensão de sua aplicação no funcionamento de geradores, motores e cargas. Por fim, será apresentado como ocorre o processo de distribuição no bloco de salas dos professores na UFERSA Angicos a partir do sistema trifásico de distribuição. Palavras-chave: Distribuição. Tensão. Transformador. Sistemas de distribuição. ABSTRACT With advances in science and technology, the various knowledge areas have undergone modifications relevant to their respective fields, to be included in these technologies, the electricity distribution could not go unnoticed. The distribution system comprises the use of means and indispensable tools that have application for its occurrence as voltage transformers, these windings have typical use of which is oriented according to the need and load levels that reach the consumer expects. Nowadays, technology has enabled the creation of several windings characteristic of certain situations will be addressed using some windings and especially the delta-wye grounded, used by the power utility of the state of Rio Grande do Norte, in addition to the transformers, there are power distribution systems (singlephase or polyphase) enabling the consumer to receive the energy they need to safely and reliably. In order to understand the performance of the tools used in the distribution is necessary to be aware of their operation which is encompassed and explained by basic knowledge of electromagnetism. With this in mind we carried out a bibliographic search on the main points that cover this subject in order to enable a proper analysis of electrical circuits allowing for a proper understanding of their application in the operation of generators, motors and loads. Finally, it will be shown as the distribution process occurs in the block of rooms at UFERSA Angicos teachers from the three-phase distribution. Keywords: Distribution. Voltage. Transformer. Distribution Systems. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Modelo de um circuito fechado...............................................................................16 Figura 2 - Comportamento da corrente contínua com o tempo...............................................17 Figura 3 - Corrente alternada com relação ao tempo...............................................................18 Figura 4 – Corrente alternada em formato senoidal.................................................................18 Figura 5 - Circuito em série.....................................................................................................19 Figura 6 - Circuito em paralelo................................................................................................21 Figura 7 - circuito com associação mista de resistores............................................................24 Figura 8 - Lei de Kirchhoff para Correntes..............................................................................24 Figura 9 - Demonstração das quedas e elevações de tensão em um circuito em série............25 Figura 10 - Diagrama simplificado de um transformador........................................................27 Figura 11 – Circuito equivalente do transformador ideal........................................................27 Figura 12 - Modelo de configuração em estrela e em delta.....................................................30 Figura 13- Configuração estrela-delta......................................................................................31 Figura 14 - Sistema em estrela a quatro fios............................................................................32 Figura 15: Sistema em estrela a três fios.................................................................................32 Figura 16 – Ligação delta........................................................................................................33 Figura 17 - Sistema trifásico simétrico com defasagem de 120º.............................................35 Figura 18 – Ondas senoidais representando o diagrama fasorial.............................................36 Figura 19 - Configuração Delta-Estrela aterrado.....................................................................38 Figura 20 – Determinação de uma das tensões de linha de um transformador trifásico..........39 Figura 21 - subestação aérea que abastece o bloco de salas dos professores na UFERSA campus Angicos........................................................................................................................43 Figura 22 – Demonstração em corte do sistema trifásico........................................................43 Figura 23 – Transporte subterrâneo de fiação contendo carga trifásica..................................44 Figura 24 - Fiação transportando carga até o QDG.................................................................44 Figura 25 – Quadro de distribuição geral (QDG)....................................................................45 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 12 1.1 OBJETIVOS ....................................................................................................................... 14 1.1.1 Objetivo Geral ............................................................................................................... 14 1.1.2 Objetivos Específicos ..................................................................................................... 14 1.2 JUSTIFICATIVA ............................................................................................................... 15 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ...................................................................................... 16 2.1 CIRCUITOS ELÉTRICOS ................................................................................................. 16 2.1.2 Corrente Elétrica ........................................................................................................... 17 2.1.2.1 Corrente Contínua......................................................................................................... 17 2.1.2.2 Corrente Alternada ....................................................................................................... 17 2.1.3 Configurações Básicas para Circuitos Elétricos ......................................................... 18 2.1.3.1 Circuito em Série .......................................................................................................... 18 2.1.3.1.1 Regra dos Divisores de Tensão ................................................................................ 20 2.1.3.2 Circuito em Paralelo ..................................................................................................... 20 2.1.3.2.1 Regra do Divisor de Corrente ................................................................................... 22 2.2 LEIS SOBRE CIRCUITOS ELÉTRICOS .......................................................................... 22 2.2.1 Lei de OHM.................................................................................................................... 23 2.2.2 Leis de Kirchhoff ........................................................................................................... 23 2.2.2.1 1ª Lei de Kirchhoff (LKC)............................................................................................ 24 2.2.2.2 2ª Lei de Kirchhoff (ou lei das malhas) ........................................................................ 25 2.3 TRANSFORMADORES .................................................................................................... 26 2.3.1 Características de um Transformador Ideal .............................................................. 26 2.3.2 Transformadores de Tensão Trifásicos ....................................................................... 27 2.3.3 Classificação dos Transformadores de Tensão ........................................................... 28 2.3.4.1 Transformadores de Tensão Elevadores ....................................................................... 28 2.3.4.2 Transformadores de Tensão Abaixadores .................................................................... 28 2.3.5 Configuração dos Enrolamentos dos Transformadores de Tensão .......................... 29 2.3.5.1 Configuração Delta-Estrela .......................................................................................... 29 2.3.5.1.1 Aterramento do Neutro ............................................................................................. 30 2.3.5.2 Configuração Estrela-Delta .......................................................................................... 31 2.3.5.3 Configuração Estrela-Estrela ........................................................................................ 32 2.3.5.4 Configuração Delta-Delta ............................................................................................. 33 2.4 SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO ...................................................................................... 33 2.4.1 Sistema de Distribuição Polifásico ............................................................................... 33 2.4.1.1 Sistema Simétrico ......................................................................................................... 34 2.4.1.2 Sistema Equilibrado...................................................................................................... 34 2.4.1.3 Sistema Desequilibrado ................................................................................................ 35 2.4.2 Sistema de Distribuição Trifásico ................................................................................ 35 2.4.2.1 Vantagens do Sistema Trifásico ................................................................................... 36 2.5 COSERN............................................................................................................................. 37 2.5.1 Sistema de Distribuição Adotado pela Cosern ............................................................ 38 2.5.2 Aplicação ........................................................................................................................ 40 3 METODOLOGIA................................................................................................................ 41 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ...................................................................................... 42 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................................................................................. 46 REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 48 12 1 INTRODUÇÃO O campo de atuação da energia elétrica vem crescendo há alguns anos em todo o mundo; empresas de transporte, telecomunicações e energia elétrica estão entre as maiores organizações produtivas da economia, pois estas criam condições que possibilitam aos demais setores atenderem às necessidades básicas da população. (ANEEL, 2000). A energia elétrica é considerada um insumo básico e fundamental para o desenvolvimento das mais diversas atividades na sociedade moderna. (OTÁVIO, 2006) O desenvolvimento econômico ocorrido na sociedade moderna desencadeou uma série de fatores que contribuíram com o aumento do consumo de energia elétrica por parte da sociedade; o maior número de eletrodomésticos e eletroeletrônicos em residências, por exemplo, a expansão do número de shoppings centers, a modernização de serviços em geral foram fatores contribuintes para o aumento dessa demanda. (BRIGATTE, 2011). Dentre as regiões geográficas brasileiras, o Sudeste é a que possui a maior fatia de participação no mercado de distribuição de eletricidade no País, cujo índice alcança mais de 57% do mercado nacional. A segunda região de maior participação é a Nordeste, com um índice superior a 16%. Nestas duas áreas do território nacional, estão localizadas as maiores distribuidoras do Brasil. (ANEEL, 2000). O sistema de energia funciona da seguinte forma: geração, transmissão e distribuição; geração é onde a energia elétrica é gerada; devido ao grande potencial do Brasil em ter recursos naturais disponíveis, como as quedas de água, pelo fato da geografia ser favorável, a forma predominante de se gerar energia elétrica no país ocorre por meio de hidrelétricas. Nesse processo, o volume de água vai fazer girar uma turbina, essa turbina irá gerar um campo magnético que por sua vez vai gerar energia; parte dessa energia fica armazenada e parte será transmitida e distribuída. A principal hidrelétrica do Nordeste é a hidrelétrica de Paulo Afonso, localizada na Bahia. A energia gerada precisa ser transmitida aos grandes centros, a tensão do processo de geração é da ordem de 15 KV, logo após essa geração, essa energia passará por uma subestação que elevará por meio dos transformadores elevadores da ordem de 15 KV para 230 KV, 500 KV, 750 KV, para que dessa forma se possa evitar perda nas linhas de transmissão. (OTÁVIO, 2006). No caso da região Nordeste, a tensão de 230 KV viajará através das linhas de transmissão, através das torres de alta tensão até chegar aos grandes centros urbanos; quando 13 chega às cidades precisa ser reduzida, então é necessário que se tenha outra subestação na distribuição na classe de abaixadores, que baixam 230 KV para 69 KV; este último segue até as cidades, ao chegar às cidades, essa tensão passa pelas subestações das concessionárias de energia, onde sofrem transformação até atingir o nível adequado para uso, 380 V/220V no caso da região Nordeste, possibilitando o uso e o correto funcionamento de equipamentos elétricos e cargas elétricas. Diante do exposto, a pesquisa visa elucidar o funcionamento desse último processo, por meio de embasamentos teóricos e conclusões sobre o assunto. Além disso, explanar quais os níveis ideais de distribuição de energia bem como a forma ou o procedimento necessário para que se chegue até ele; que sistema é utilizado pela concessionária de energia que se encarrega de transformar os níveis de tensão até que se obtenha a classe ideal de uso pelo consumidor. Para atingir esse fim, este trabalho possibilita a compreensão da teoria, centrando-se em conceitos básicos do eletromagnetismo que é a base para que se possa compreender na prática como se dá a distribuição. 14 1.1 OBJETIVOS O trabalho em questão será desenvolvido de forma a alcançar os seguintes objetivos: 1.1.1 Objetivo Geral Estudo acerca da distribuição de energia elétrica, com enfoque na teoria que engloba tal processo, afim de que se compreenda como esse procedimento ocorre na prática. 1.1.2 Objetivos Específicos Mostrar como a teoria de análise de circuitos elétricos se torna essencial do ponto de vista do funcionamento de máquinas elétricas, que viabilizam a transformação de tensão. Mostrar como algumas técnicas vistas na teoria podem ser utilizadas no sistema de distribuição de energia, enfatizando as configurações de ligações dos transformadores de tensão. Realizar um breve e objetivo estudo acerca de como se dá o processo de abastecimento, por meio do sistema trifásico de distribuição, no bloco de sala dos professores da UFERSA Angicos-RN. 15 1.2 JUSTIFICATIVA O processo de geração, transmissão e distribuição de energia necessita de periódicos aperfeiçoamentos evidenciando a necessidade em atender uma demanda específica atenuando possíveis falhas. Tendo em vista o constante aumento da procura dessa energia para abastecer a sociedade, cidade ou país, sendo incluso desde os grandes centros urbanos até pequenos povoados. Para compreender como se dá o processo de distribuição dessa energia, é necessário que se tome conhecimento dos níveis de tensão que a mesma atinge em sua geração e as transformações a que estão sujeitas até que chegue ao consumidor em nível adequado para consumo; para tanto, se faz necessário o uso de transformadores de tensão, esses apresentam algumas configurações em seus enrolamentos podendo caracterizá-los direcionando-os para usos específicos. Diante disso, faz-se necessário este estudo acerca da distribuição visando o conhecimento de todo o embasamento teórico que compõe o processo; Além de entender como funciona o sistema de distribuição da concessionária de energia do estado. 16 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA O presente trabalho visa realizar uma análise da configuração dos enrolamentos dos transformadores de tensão utilizados pelas concessionárias de energia elétrica, com enfoque na concessionária de energia do Rio Grande do Norte, COSERN. Para que se construa um conhecimento amplo acerca de como se dá o processo de abastecimento de energia elétrica, é imprescindível o conhecimento teórico dos principais pontos que englobam esse processo. Diante disso, este trabalho apresenta conceitos básicos de eletricidade que possibilitam, a partir da teoria, um melhor e mais amplo entendimento da parte prática. 2.1 CIRCUITOS ELÉTRICOS A análise de circuitos elétricos é muito importante na obtenção da corrente elétrica. Um circuito é um caminho eletricamente completo, através do qual circula ou pode circular uma corrente elétrica, quando se mantém uma diferença de potencial em seus terminais. (SILVA FILHO, 2007). Um circuito elétrico é constituído de pelo menos quatro partes: uma forma de força eletromotriz (f.e.m), condutores, uma carga e instrumentos de controle. As fontes mais comuns de fem são as baterias e os geradores; os condutores são os fios que interconectam as várias partes do circuito e conduzem a corrente oferecendo baixa resistência a passagem desta; o resistor é a carga, o resistor de carga apresenta um dispositivo que utiliza corrente elétrica, como por exemplo uma lâmpada, campainha, torradeira, rádio ou motor; e os dispositivos de controle podem ser chaves, resistências variáveis, fusíveis, disjuntores, etc. (GUSSOW, 2009). Fonte: Gussow (2009 P.51) Figura 1 - Modelo de um circuito fechado 17 2.1.2 Corrente Elétrica O fluxo ordenado de elétrons é denominado corrente elétrica. Para se produzir uma corrente, os elétrons devem se deslocar pelo efeito de uma diferença de potencial. (GUSSOW, 2009). Dois tipos de corrente elétrica são usados nos equipamentos elétricos e eletrônicos: A corrente contínua (cc), cuja intensidade e sentido não variam com o tempo, e a corrente alternada (ca), cuja intensidade e sentido mudam constantemente. (BOYLESTAD, 1998). 2.1.2.1 Corrente Contínua Corrente contínua (cc), é a corrente que passa através de um condutor ou de um circuito somente num sentido. A razão dessa corrente unidirecional se deve ao fato das fontes de tensão, como as pilhas e as baterias, manterem a mesma polaridade de tensão de saída. A tensão fornecida por essas fontes é chamada de tensão de corrente contínua. Uma fonte de tensão contínua pode variar o valor da sua tensão de saída, mas se a polaridade for mantida, a corrente fluirá somente num único sentido. (GUSSOW, 2009). Fonte: Silva Filho (2007 p.11) Figura 2 - Comportamento da corrente contínua com o tempo 2.1.2.2 Corrente Alternada Uma fonte de tensão alternada (tensão ca), inverte ou alterna periodicamente sua polaridade. Consequentemente, o sentido da corrente alternada resultante também é invertido periodicamente. Em termos do fluxo convencional, a corrente flui do terminal positivo da fonte de tensão, percorre o circuito e volta para o terminal negativo, mas quando o gerador alterna sua polaridade, a corrente tem que inverter seu sentido. A linha de tensão usada na 18 maioria das residências é alternada, nesses sistemas, o sentido da tensão e da corrente sofrem muitas inversões por segundo. (GUSSOW, 2009). Fonte: Silva Filho (2007 p.11) Figura 3 - corrente alternada com relação ao tempo Fonte: Boylestad (1998 p.339). Figura 4 – corrente alternada em formato senoidal 2.1.3 Configurações Básicas para Circuitos Elétricos Existem duas configurações básicas para circuitos elétricos que constituem a essência para muitos circuitos complexos. (BOYLESTAD, 1998). Os circuitos elétricos podem ser encontrados em três configurações: circuitos em série, circuitos em paralelo e circuitos com associação mista de resistores. Porém, serão abordadas somente as duas configurações básicas para a análise de circuitos elétricos que são os circuitos com associação em série e em paralelo. 2.1.3.1 Circuito em Série Em um circuito elétrico, dois elementos estão em série se: 19 Possuem somente um terminal em comum (ou seja, um terminal de um está conectado a somente um terminal do outro). (BOYLESTAD, 1998). O ponto comum entre os dois elementos não está conectado a outro elemento percorrido por corrente. (BOYLESTAD, 1998). Fonte: Boylestad (1998 p.81). Figura 5 - circuito em série A Figura 5 mostra um circuito onde as resistências R1 e R2 possuem somente um terminal em comum, e o ponto em comum entre os dois não está conectado a outro elemento, logo o circuito está configurado em série. Sabendo que o circuito está em série, pode-se tirar algumas conclusões ao se realizar uma análise de circuitos, a primeira delas é que: Quando dois ou mais elementos de um circuito estão ligados em série, a corrente é a mesma em todos eles. (BOYLESTAD, 1998). (1) A resistência total de um circuito em série é a soma das resistências do circuito. (BOYLESTAD, 1998). 20 2.1.3.1.1 Regra dos Divisores de Tensão Utiliza-se a regra dos divisores de tensão para o cálculo da tensão em circuitos configurados em série, onde a tensão se divide, ou seja, não possui o mesmo valor em todos os terminais. Segundo Boylestad (1998), “Nos circuitos em série, a tensão entre os terminais dos elementos resistivos se divide na mesma proporção que os valores de resistência”. Se há divisor de tensão, implica que o circuito está em série, estando o circuito em série: Sendo, Req = R1 + R2 2.1.3.2 Circuito em Paralelo Um circuito elétrico está configurado em paralelo quando: Dois elementos possuem dois pontos em comum. (BOYLESTAD, 1998). 21 Fonte: Boylestad (1998). Figura 6 - circuito em paralelo A Figura 6 mostra um circuito cujas resistências e apresentam dois terminais em comum, a e b; logo, sabe-se que o mesmo está configurado em paralelo. Ao se realizar uma análise do circuito acima, pode-se concluir que: Todos os elementos de um circuito que estão em paralelo estão submetidos à mesma diferença de potencial. (BOYLESTAD, 1998). 8) Para circuitos em paralelo com apenas uma fonte, a corrente que atravessa esta fonte é igual à soma das correntes em cada um dos ramos do circuito. (BOYLESTAD, 1998). O resistor equivalente será, neste caso, menor que qualquer um dos que fazem parte da associação. E será calculado da seguinte forma: No caso do circuito ser constituído somente por dois circuitos em paralelo, pode-se usar a regra do produto dividido pela soma: 22 2.1.3.2.1 Regra do Divisor de Corrente Utiliza-se a regra do divisor de corrente para o cálculo da corrente em circuitos em paralelo, onde a corrente se divide, ou seja, não é a mesma para todos os terminais. A regra do divisor de corrente explica como uma corrente que entra em um conjunto de elementos em paralelo se divide entre esses elementos. Caso haja dois elementos de mesma resistência, configurados em paralelo, a corrente se distribuirá entre eles com a mesma proporção. Se os elementos em paralelo tiverem resistências diferentes, sabendo que a resistência impede a passagem de corrente, pode-se concluir que, o elemento que apresentar menor resistência será percorrido por uma maior fração da corrente. A razão entre os valores das correntes nos dois ramos será inversamente proporcional à razão entre as suas resistências. (BOYLESTAD, 1998). Sendo, = + 2.2 TEORIAS SOBRE CIRCUITOS ELÉTRICOS Sabe-se que o que rege a prática da distribuição de energia elétrica é a teoria correspondente a esta. Para se obter um conhecimento mais aprofundado acerca de circuitos elétricos, a fim de compreender melhor o funcionamento desses voltado a distribuição de energia elétrica, se faz necessário a análise das leis que englobam esse estudo. 23 2.2.1 Lei de OHM Segundo Silva Filho (2007 p.11), “George Simon Ohm estudou a relação entre a tensão (d.d.p.), a intensidade da corrente elétrica e a resistência elétrica e observou que: A intensidade da corrente elétrica é diretamente proporcional à diferença de potencial a que está submetido o condutor e inversamente proporcional à resistência elétrica deste condutor. Esse estudo de Ohm, datado de 1827, posteriormente passou a ser conhecido como Lei de Ohm e é expresso em forma de equação”: Em que: V: diferença de potencial, tensão ou força eletromotriz, em volts (V); R: resistência elétrica em ohms (Ω); I: intensidade da corrente elétrica, em ampères (A). De acordo com as expressões, pode-se retirar algumas conclusões: A corrente é diretamente proporcional à tensão aplicada aos terminais de um circuito e, inversamente proporcional à resistência deste. (BOYLESTAD, 2004). Para avaliar a corrente elétrica que circula num circuito pode-se utilizar a lei de Ohm, essa lei estabelece que a corrente elétrica que circula por uma determinada carga é proporcional à tensão; quanto maior for a tensão, maior será a corrente e, quanto menor for a tensão, menor será a corrente. 2.2.2 Leis de Kirchhoff Em 1854, Gustav Robert Kirchhoff, publicou um trabalho acerca de circuitos elétricos, suas considerações promovem a resolução de circuitos que apresentem associação mista de resistores. Tais considerações posteriormente tornaram-se conhecidas como leis de Kirchhoff. (SILVA FILHO, 2007). Para que se possa utilizá-las, é necessário tomar conhecimento de alguns conceitos: Nó: é qualquer ponto do circuito no qual concorrem três ou mais condutores; na Figura 7 o nó do circuito é representado pelas letras a, b, c, d, e, f. 24 Ramo: é qualquer trecho do circuito compreendido entre dois nós consecutivos; representado na Figura 7 pelos trechos entre os pontos a-b, b-c, c-d, d-e, e-f e b-e. Malha: é qualquer circuito fechado, formado por ramos. Na Figura 7 tem-se duas malhas, uma malha formada pelos pontos a, b, e, f, a; e outra nos pontos b, c, d, e, b. A Figura 7 a seguir mostra um circuito com associação mista de resistores, ou seja, há resistores associados em série e em paralelo, onde há a representação de nó, malha e ramo: Fonte: Silva Filho (2007 p.33) Figura 7 - circuito com associação mista de resistores 2.2.2.1 1ª Lei de Kirchhoff - (Lei de Kirchhoff das Correntes) Corresponde à lei da conservação das cargas. A soma algébrica das correntes que percorrem uma determinada região, sistema ou nó, dentro do circuito é igual a zero. Ou seja, a soma das correntes que entram em uma região, sistema ou nó deve ser igual à soma das correntes que saem dessa região, sistema ou nó. (BOYLESTAD, 1998). Fonte: Boylestad (1998 p.116). Figura 8 - Lei de Kirchhoff para Correntes Onde: 25 A soma das correntes que entram em um determinado sistema é igual à soma das correntes que saem desse sistema. Ou seja, ∑ =∑ . 2.2.2.2 2ª Lei de Kirchhoff (Lei das Malhas) Equivale à lei da conservação da energia; percorrendo-se uma malha, em um mesmo sentido, a soma das tensões nos elementos de circuito encontrados é igual a zero. (SILVA FILHO, 2007). Fonte: Boylestad (1998 p.84). Figura 9 - Demonstração das quedas e elevações de tensão em um circuito em série A Figura 9 apresenta um circuito em série, quando se percorre esse circuito em um determinado sentido (no sentido horário, por convenção), pode-se deparar com quedas e elevações de tensão. De acordo com a 2ª lei de Ohm, a soma dessas quedas e elevações é nula. Para o cálculo das fontes de tensão em circuitos, utiliza-se a seguinte regra: Sinais positivos implicam em aumento de potencial (do menos para o mais), enquanto que sinais negativos implicam em queda de potencial (do mais para o menos). Como de acordo com a 2ª lei de Kirchhoff, a soma das quedas e elevações de tensão em um circuito fechado é nula, tem-se: = 0. Logo, pode-se analisar o circuito da Figura 9 da seguinte forma: 26 2.3 TRANSFORMADORES O transformador é um dispositivo utilizado hoje em dia em praticamente todos os campos da engenharia elétrica; ele desempenha um papel fundamental nos sistemas de distribuição de energia elétrica e pode também ser encontrado em muitos circuitos eletrônicos e em instrumentos de medida. É um equipamento que apresenta algumas aplicações práticas, como: diminuir ou aumentar o valor de tensões e correntes, atuar como um dispositivo de casamento de impedâncias e isolar circuitos. (BOYLESTAD, 2004). O transformador é um equipamento empregado em sistemas de distribuição de energia, dentre suas muitas funções, é utilizado para reduzir níveis de tensão e de corrente, porém neste trabalho, será enfatizado os transformadores de tensão. consiste em uma máquina elétrica que transforma alguns parâmetros, tais como: tensão, corrente elétrica, potencial, etc. A distribuição de energia elétrica é realizada através da utilização de transformadores que podem ser monofásicos ou polifásicos, classificados como: transformadores de tensão abaixadores e transformadores de tensão elevadores, cuja finalidade é a de transformar a tensão até que se obtenha a classe ou nível de tensão adequado para a utilização pelo consumidor. 2.3.1 Características de um Transformador Ideal Sabe-se que um transformador ideal é caracterizado por apresentar perfeitas condições de funcionamento de forma a evitar perdas. Gussow (2009 p.467) caracteriza o transformador ideal da seguinte forma: “O transformador básico consiste em duas bobinas isoladas eletricamente uma da outra e enroladas em torno de um núcleo comum. O acoplamento magnético é usado para se transferir a energia elétrica de uma bobina para outra. A bobina que recebe a energia de uma fonte ca é denominada de primário. A bobina que fornece energia para uma carga ca é denominada de secundário. Se considerarmos que um transformador funciona sob condições ideais ou perfeitas, a transferência de energia de uma tensão para outra se faz sem perdas.” 27 Fonte: Gussow (2009 p. 467) Figura 10 - Diagrama simplificado de um transformador. Fonte: Boylestad (1998 p.710). Figura 11 – Circuito equivalente do transformador ideal 2.3.2 Transformadores de Tensão Trifásicos Os transformadores trifásicos podem ser formados por banco de três transformadores monofásicos 1-ø (uma fase) separados, porém idênticos ou por uma única unidade 3-ø (três fases) contendo enrolamentos trifásicos. São transformadores que possuem três conjuntos de bobinas de alta e baixa tensão colocadas sobre um núcleo. O funcionamento é idêntico ao de um transformador monofásico, já que sua constituição é de três transformadores monofásicos entre si, só sofrem modificação quanto ao aspecto construtivo. (GUSSOW, 2009). De acordo com Borges (2005), as modelagens dos aspectos construtivos dos transformadores são diferentes; serão iguais somente em casos de ocorrerem em regime permanente simétrico e equilibrado. 28 2.3.3 Classificação dos Transformadores de Tensão Os transformadores de tensão apresentam duas classificações, podendo ser utilizados para dois fins opostos que são os elevadores de tensão e os abaixadores de tensão. Para uma melhor compreensão de como se dá esse procedimento realizado pelos transformadores é necessário saber que o transformador possui em seu interior um enrolamento primário e um secundário; que servem respectivamente para receber energia e fornecer essa energia à outra carga. Sobre a constituição dos transformadores é interessante saber ainda que existem os enrolamentos de alta e baixa tensão, o enrolamento de alta tensão do transformador é aquele que possui maior valor de tensão nominal, e o enrolamento de baixa tensão é aquele que possui menor valor de tensão nominal. A tensão nominal são valores de tensão projetados e especificados pelo fabricante para o funcionamento adequado do equipamento; sempre que se for ligar um transformador deve-se atentar para suas tensões nominais e de carga a fim de realizar um uso correto de forma que não danifique qualquer elemento do circuito. (SILVA FILHO, 2007). 2.3.4.1 Transformadores de Tensão Elevadores Os transformadores que atuam na forma de elevadores de tensão são transformadores que elevam os valores de tensão recebidos; esses tipos de transformadores são utilizados, por exemplo, na transmissão de energia elétrica; como as hidrelétricas, que são as principais fontes de geração de energia elétrica presente no Brasil se encontram em áreas distantes dos grandes centros urbanos, tem-se que aumentar o nível de tensão para que esta viaje através das linhas de transmissão até que chegue às áreas povoadas para que seja realizado o processo de distribuição. 2.3.4.2 Transformadores de Tensão Abaixadores Os transformadores abaixadores de tensão têm a função de baixar os valores de tensão recebidos; esse tipo de transformador é comumente utilizado pelas concessionárias de energia elétrica na realização do processo de distribuição; como a energia que chega através das linhas de transmissão apresenta níveis de tensão elevados, inadequados para o uso, esse nível 29 ou classe de tensão precisa passar por uma redução, essa redução é realizada pelos transformadores de tensão abaixadores. Como a base deste trabalho será tratar da etapa da distribuição de energia, não será necessária uma extensão na abordagem de transformadores de tensão elevadores, o enfoque será dado à classe dos transformadores abaixadores de tensão. 2.3.5 Configuração dos Enrolamentos dos Transformadores de Tensão Os transformadores de tensão apresentam algumas configurações que visam buscar o seu melhor funcionamento de acordo com a necessidade, o serviço ou a área para a qual sua utilização está sendo voltada. Por exemplo, o sistema adotado pela concessionária de energia do Rio Grande do Norte é o delta-estrela aterrado, porém há outras configurações que podem ser utilizadas, como: estrela-estrela, delta-delta, etc., dependendo do nível de tensão que se quer obter. Para a determinação dos tipos de ligação a serem usadas pelas unidades consumidoras, alguns critérios devem ser considerados, como: a carga instalada para unidades consumidoras monofásicas ou trifásicas, a existência de motores, máquinas de solda e outras cargas especiais. (COSERN, 2011). 2.3.5.1 Configuração Delta-Estrela Essa configuração do sistema de distribuição é habitualmente empregada na indústria e geração de energia. (PEDRINI, 2008) A ligação estrela pode ser feita em três ou quatro fios; a quatro fios ocorre caso o sistema seja desequilibrado, pois quando se trata desse tipo de sistema, em que as correntes que passam por cada uma das três fases é diferente, há passagem de corrente pelo neutro, formando um conjunto de três fases e um neutro, o quarto fio que compõe o sistema é o neutro. (BOYLESTAD, 1998) Quando se trata de um sistema equilibrado, ou seja, quando o valor da corrente que passa por cada uma das três fases é a mesma, a passagem de corrente no neutro é nula, dessa forma, o quarto fio pode ser suprimido, formando um sistema em estrela a três fios. (SILVA FILHO, 2007). 30 A Figura 12 mostra um modelo da configuração dos enrolamentos de transformadores, em estrela e em delta: Fonte: Camacho (2013). Figura 12 - Modelo de configuração em estrela e em delta 2.3.5.1.1 Aterramento do Neutro De acordo com as normas de fornecimento, a NBR 5410 estabelece que toda unidade consumidora deve ser dotada de sistema de aterramento, mesmo nos casos de fornecimento provisório. Toda unidade consumidora tem o condutor neutro do ramal de distribuição aterrado na origem da instalação. (COSERN, 2011). Essa configuração pode ser adotada para qualquer elemento de motor elétrico, máquinas elétricas, etc. O fio neutro tem a finalidade de transportar a corrente resultante entre as fases de volta ao transformador, além disso, como as cargas do sistema trifásico estão sempre mudando, costuma-se utilizar um sistema a quatro fios com a finalidade de manter a tensão constante no final da linha. (BOYLESTAD, 1998). O isolamento de condutores (fio neutro) é um conceito importante a se tratar, tendo em vista que é amplamente utilizado nos sistemas de energia elétrica, pois garante uma operação segura e confiável. É segura, pois os equipamentos de proteção desenergizam e isolam equipamentos defeituosos, de forma a proteger a população e as equipes de manutenção; e, é confiável, pois permite que a distribuição seja realizada dentro dos limites de tensão adequados de forma a evitar danos e manter o funcionamento correto dos equipamentos de uso dos consumidores. (BEHRENDT, 2002). 31 O aterramento é realizado em casos que se deseja realizar um contato entre um condutor e a terra; esse procedimento pode ser classificado como uma forma de segurança, pois em sistemas elétricos há a presença das correntes de fuga, essas correntes são bem pequenas, mas eventualmente ocorrem percorrendo um caminho diferente do previsto. Portanto, esse processo ocorre de forma a assegurar que essas correntes sejam encaminhadas para a terra promovendo a segurança e o perfeito funcionamento de instalações. (COTRIM, 2009). 2.3.5.2 Configuração Estrela-Delta (Y-∆) É composta por um gerador tipo estrela (Y) com uma carga tipo delta (∆). Nesse tipo de configuração não existe um quarto fio e, qualquer modificação realizada na impedância de uma das fases que compõem o sistema causando desequilíbrio no mesmo, faz com que as correntes de linha sejam diferentes. Sendo a carga equilibrada ou não, nesse sistema a tensão de fase é igual à tensão de linha. (BOYLESTAD, 2004). A Figura 13 mostra um transformador tipo estrela e uma carga tipo delta; em delta, a tensão de linha é igual à tensão de fase. Fonte: Nogueira; Alves (2009 p. 75) Figura 13- Configuração estrela-delta 32 2.3.5.3 Configuração Estrela-Estrela (Y-Y) Quando uma carga tipo Y é alimentada por um transformador tipo Y, o sistema é chamado Y-Y ou, estrela-estrela; esse sistema é caracterizado por apresentar quatro fios, sendo composto por três fases e um neutro, como mostra a Figura 14. Fonte: Silva Filho (2007 p.117) Figura 14 - Sistema em estrela a quatro fios No cálculo da corrente que circula pelo ponto neutro, evidencia-se a importância de se utilizar a lei de Kirchhoff para correntes (LKC); e, para o cálculo da tensão no nó, no lado da carga, aplica-se a lei de Ohm. Quando esse sistema é equilibrado, não há passagem de corrente no quarto fio, ou seja, o neutro pode ser removido sem que haja interferência no circuito a que pertence, pois, se o sistema é equilibrado implica em uma equivalência entre as cargas que o compõem; podendo ter a seguinte representação: = = ; o que pode ser observado na Figura 15. (BOYLESTAD, 1998). Fonte: Silva Filho (2007 p.117) Figura 15: Sistema em estrela a três fios 33 Esse esquema de ligação é bastante utilizado em motores elétricos, máquinas elétricas em geral. Estrela quer dizer que os enrolamentos ou as fases da alimentação estão ligados em uma configuração em que cada enrolamento seja percorrido por uma corrente gerando uma tensão, , e . Assim como a alimentação, a carga também será configurada em estrela. 2.3.5.4 Configuração Delta-Delta (∆-∆) Nesta configuração, as bobinas do transformador estão configuradas em delta; há uma carga tipo delta sendo alimentada por um transformador tipo delta. A corrente de linha do transformador tipo ∆ não é igual à corrente de fase; a relação entre as duas correntes pode ser determinada aplicando a lei de Kirchhoff para correntes a um dos nós do circuito e calculando a corrente de linha em termos das correntes de fase. (BOYLESTAD, 1998). Esta conexão é utilizada em sistemas trifásicos a três condutores para alimentar cargas trifásicas em sistemas não aterrados. A Figura 16 mostra a representação da alimentação da carga pelo transformador do tipo delta. (SILVA, 2004). Fonte: Camacho (2013) Figura 16 – Ligação delta 2.4 SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO 2.4.1 Sistema de Distribuição Polifásico Um sistema polifásico é caracterizado por conter dois ou mais circuitos elétricos, cada circuito com sua fonte de tensão alternada. As tensões apresentam a mesma frequência e 34 apresentam ângulo de defasagem definido. Cada circuito do sistema constitui uma fase. (SILVA FILHO, 2007). Quando se faz uso de mais de um enrolamento no rotor (parte móvel) ou no estator (parte fixa) do sistema, resultará em um sistema polifásico que desenvolve mais de uma tensão para cada volta completa do rotor. (BOYLESTAD, 1998). 2.4.1.1 Sistema Simétrico Quando as tensões do sistema polifásico de n fases têm o mesmo módulo, se dispõem em sequência e estão defasadas uma da outra 1/n do período, esse sistema é considerado simétrico. (SILVA FILHO, 2007) 2.4.1.2 Sistema Equilibrado Um sistema polifásico é considerado em equilíbrio quando em cada fase, as correntes e o fator de potência têm o mesmo valor. Se a corrente que sai do transformador constitui um conjunto equilibrado, o sistema é dito como equilibrado. (SILVA FILHO, 2007). Os cálculos de circuitos que envolvem transformadores trifásicos em condições equilibradas podem ser efetuados tomando como base apenas um transformador ou uma das fases envolvidas, já que as condições nas duas outras fases são as mesmas, somente há modificação nas defasagens. (FITZGERALD, 2006). 35 2.4.1.3 Sistema Desequilibrado Um sistema é desequilibrado quando a corrente ou o fator de potência de, pelo menos uma das fases for diferente do das demais. Caso a corrente que sai do transformador não seja um conjunto equilibrado, o sistema será desequilibrado. (SILVA FILHO, 2007). 2.4.2 Sistema de Distribuição Trifásico O sistema de distribuição mais utilizado pelas concessionárias de energia elétrica em corrente alternada são os sistemas trifásicos, por apresentarem algumas vantagens que podem favorecê-los em detrimento dos monofásicos, não significando a inutilização desses, que podem ser utilizados em casos específicos. O sistema trifásico é constituído por uma combinação de três sistemas monofásicos, é representado por três ondas senoidais defasadas, ou com diferença de fase uma das outras de 120º; a potência produz três tensões iguais, porém defasadas uma da outra. (PEDRINI, 2008). O sistema trifásico foi criado em 1890 por Nikola Tesla, o início de sua utilização se deu por volta de 1896. Diversos sistemas polifásicos foram observados, porém chegou-se ao consentimento de que o sistema trifásico é o mais econômico. A Figura 17 mostra a representação de um sistema trifásico simétrico, onde destaca a defasagem entre as tensões de 360º corresponde a 120º). (SILVA FILHO, 2007). Fonte: SILVA FILHO (2007 p.115) Figura 17 - Sistema trifásico simétrico com defasagem de 120º. 36 A Figura 18 mostra a representação do sistema trifásico de uma outra forma, mostrando as ondas senoidais, fase A, fase B e fase C; os valores de pico das tensões e a defasagem do sistema trifásico. Fonte: Boylestad (1998) Figura 18 – Ondas senoidais representando o diagrama fasorial Em cada bobina do transformador, ou em cada uma das fases do diagrama, passa uma corrente, i fase A, i fase B e i fase C, essa corrente chaga ao nó do circuito podendo, dessa forma, ser calculada através da lei de Kirchhoff das correntes, Figura 16. A equação 29 é utilizada para o cálculo da corrente que passa por um nó em um sistema equilibrado. No caso da ocorrência de um sistema desequilibrado, as fases A, B e C, serão iguais, só que defasadas. A equação 30 é utilizada no caso do sistema ser desequilibrado. 2.4.2.1 Vantagens do Sistema Trifásico O sistema trifásico de distribuição apresenta algumas vantagens quando comparado ao monofásico e ao polifásico, no que diz respeito à potência, facilidade, economia, etc.: 37 Entre motores e geradores do mesmo tamanho, os trifásicos têm maior potência que os monofásicos. (SILVA FILHO, 2007). É possível usar condutores bem mais finos capazes de transmitir a mesma potência à mesma tensão, o que reduz a quantidade de cobre em 25% minimizando os custos de fabricação e manutenção das linhas. (BOYLESTAD, 1998). As linhas de transmissão trifásicas empregam menos material que as monofásicas para transportarem a mesma potência elétrica. (SILVA FILHO, 2007). Linhas mais leves facilitam a instalação possibilitando que as torres de sustentação se tornem mais delgadas e espaçadas. (BOYLESTAD, 1998). Os motores trifásicos têm um conjugado uniforme, enquanto os monofásicos comuns têm conjugado pulsante. (SILVA FILHO, 2007). Motores e equipamentos trifásicos apresentam melhores características de partida e operação que os monofásicos, pois as transferências de potência estão menos sujeitas a flutuações. (BOYLESTAD, 1998) Os motores trifásicos podem partir sem meio auxiliar, o que não acontece com os motores monofásicos comuns. (SILVA FILHO, 2007) Quase todos os motores de grande porte são trifásicos porque não necessitam de circuitos especiais para a partida. (BOYLESTAD, 1998). Os circuitos trifásicos proporcionam flexibilidade na escolha das tensões e podem ser utilizados para alimentar cargas monofásicas. (SILVA FILHO, 2007). É importante ressaltar que o sistema trifásico de distribuição tornou-se padrão em termos de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica por razões técnicas e econômicas abordadas anteriormente e que, ele apresenta flexibilidade em atender cargas monofásicas, bifásicas e trifásicas sem que haja qualquer alteração na sua configuração. 2.5 COSERN A COSERN é a concessionária de energia elétrica do estado do Rio grande do Norte, o fornecimento de energia usado pela mesma é um sistema trifásico em 380 V/220 V; tal nível de tensão foi adotado por questões de praticidade, redução de custos, etc. As cidades que foram as primeiras a receber o fornecimento de energia elétrica têm sua rede em 220 V/ 127 38 V, que é o caso da região Sudeste; já as cidades que começaram a receber o fornecimento mais tarde, o sistema adotado é o 380 V/220 V. A mudança ocorrida nos sistemas de distribuição se deu por que para uma tensão menor, é necessária uma corrente elétrica proporcionalmente maior para suprir a potência solicitada pela carga. Do contrário, quando há aumento de tensão, é preciso diminuir a corrente elétrica para gerar exatamente a mesma potência. Quando se analisa esse fato pelo lado de custos, os condutores e os transformadores de energia elétrica para uma tensão de 220 V/127 V teria que ser mais reforçados que os de 380 V/220 V para produzir a corrente elétrica, além de possuir condutores de maiores bitolas. Como o abastecimento de energia no Nordeste foi adotado posteriormente, pode-se adotar este sistema. (CAMACHO, 2013). 2.5.1 Sistema de Distribuição Adotado pela Cosern O sistema de distribuição utilizado pela concessionária de energia do estado do Rio grande do Norte, COSERN é do tipo trifásico (3 fases R-S-T). Para atender a especificação dos níveis de transformação de tensão da concessionária de energia, o circuito dos transformadores tem que ser ligado em configurações determinadas. A configuração utilizada no estado para viabilizar a transformação de tensão de 13,8 KV/ 380 V–220 V é a deltaestrela aterrado, ilustrada na Figura 19: Fonte: Autoria Própria Figura 19 - Configuração Delta-Estrela aterrado Onde o valor da tensão que chega nas três fases do lado delta, primário é de 13,8 KV, esse lado de alta tensão é composto por um sistema a três fios, sendo três condutores fases. Após passar pelo transformador este nível de tensão é reduzido para 380 V/220 V (lado estrela) da ligação; após essa transformação para níveis adequados de utilização, pode-se ligar 39 os equipamentos. Se o equipamento for ligado em sistema trifásico (motores pesados), a tensão de alimentação dele será de 380 V, tensão de linha; se o equipamento for ligado em sistema monofásico, como ocorre com a maioria dos equipamentos (ar condicionado, ventilador, televisão, notebook, etc.), a tensão de alimentação será de 220 V, tensão de fase. Percebe-se que neste lado têm-se quatro fios, sendo três condutores fases e um condutor neutro. Tensão de Linha tensão entre duas fases 380 V Tensão de Fase tensão entre uma fase e o neutro 220 V A tensão que chega à consumidores monofásicos é justamente 220 V (tensão em níveis adequados para utilização). Esta tensão é devido a equação 31: √ Onde: El = Tensão de linha Ef = Tensão de Fase O √ da equação pode ser explicado fazendo uso do diagrama fasorial da Figura 20 a seguir: Fonte: Boylestad (1998 p.660) Figura 20 – Determinação de uma das tensões de linha de um transformador trifásico Sabe-se que em um sistema trifásico simétrico, as tensões estão defasadas entre sí de 120º; a Figura 20 mostra que ao prolongar a reta , faz ângulos iguais entre e ; por estar sobre uma reta que coincide com a altura de um triângulo isósceles, com dois lados iguais, os lados iguais neste caso serão (BOYLESTAD,1998). Para conhecer o valor da distância x, tem-se: e , com ângulo de β= 30º. 40 √ E, para conhecer o valor da distância em , tem-se: √ Retomando a representação do sistema utilizado pela COSERN, delta-estrela aterrado, na Figura 19, percebe-se que no lado delta ocorre a passagem de alta tensão, 13,8 KV, ainda inadequada para o uso; enquanto no lado estrela há passagem de baixa tensão, 380 V é a tensão de linha: tensão entre duas fases; e 220 V é a tensão de fase: tensão entre uma fase e um neutro. Como o sistema da concessionária do estado é desequilibrado, a corrente do desequilíbrio das cargas irá circular pelo neutro e irá para a terra. 2.5.2 Aplicação O sistema de distribuição industrial inclui um transformador trifásico que reduz a tensão de linha de 13.800V para 380 V. as cargas de baixo consumo de energia, como lâmpadas, tomadas de parede, sistemas de alarme, etc., utilizam a tensão monofásica de 220 V entre linha e neutro. Cargas maiores como condicionadores de ar, chuveiros elétricos, etc. utilizam a tensão monofásica de 380 V entre duas linhas. Motores de grande porte e equipamentos especiais utilizam a tensão trifásica. Na maioria dos países, a legislação exige que os consumidores façam o possível para manterem equilibrada a carga total do sistema, assegurando assim o máximo de eficiência na distribuição de energia elétrica. (BOYLESTAD, 1998). 41 3 METODOLOGIA A pesquisa pautou-se no método de revisão bibliográfica como forma de acrescer o conhecimento sobre o assunto proporcionando novas informações. Além disso, objetivou levantar dados concernentes aos conceitos básicos do eletromagnetismo, explicando de forma clara e objetiva a sua aplicabilidade prática no modo de distribuição da energia elétrica. Posterior a análise, foi elaborado um estudo de caso envolto do bloco de salas dos professores para observar o processo de funcionamento do sistema trifásico de distribuição interagindo com o conhecimento teórico. 42 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES A partir dos conhecimentos adquiridos, realizou-se um pequeno estudo de caso no bloco de salas dos professores da Universidade Federal Rural do Semi Árido, tendo em vista que este possui uma alimentação a partir do sistema trifásico de distribuição, com a utilização de subestações aéreas, que nada mais são do que um poste com um transformador e dispositivos de proteção. Além do bloco de sala dos professores, todos os outros blocos da universidade apresentam o sistema trifásico de distribuição; esse sistema está presente no administrativo, nos laboratórios, nas salas de aula, etc. Sua utilização é necessária para que se possa transformar a energia que chega, de 3,8 KV para 380 V, já que a demanda de carga requerida por esses setores é alta. A presença do sistema trifásico para a realização da alimentação de energia elétrica se deve ao fato de o somatório das cargas utilizadas nesses departamentos serem superiores a 15.000W, por influência de vários fatores, como por exemplo, o número de equipamentos elétricos como: centrais de ar, computadores, lâmpadas, tomadas, etc. É importante ressaltar que a carga utilizada para abastecer o bloco é trifásica e segue desta forma, três fases e um neutro até o quadro de distribuição geral; porém, ao ser distribuída pelas salas dos professores vai na forma monofásica, pois os equipamentos que esta abastece são simples, ligados na forma monofásica. A potência limite citada anteriormente para estabelecer o sistema a ser adotado corresponde a um padrão estabelecido pela concessionária de energia do RN (COSERN), onde para cargas maiores ou iguais a 15.000W de potência instalada, o fornecedor se encarregará de providenciar um sistema trifásico para suprir a necessidade do cliente. Vale reforçar que esse padrão é o da COSERN, outras concessionárias de energia podem apresentar um padrão diferente. Tendo em vista que poderia ter sido utilizada qualquer outra instalação do campus, preferiu-se realizar a presente análise no bloco de salas dos professores, pois este possibilitou um melhor acesso ao quadro de instalações, bem como à subestação aérea que fica localizada em frente ao bloco. 43 Fonte: Autoria Própria Figura 21 - subestação aérea que abastece o bloco de salas dos professores na UFERSA campus Angicos. Fonte: CEFET Figura 22 – Demonstração em corte do sistema trifásico De acordo com a Figura 21, a transformação se dá da seguinte forma: A energia chega por meio de três fios paralelos até a caixa do transformador, esses três fios representam o sistema trifásico de distribuição cuja diferença de tensão entre eles é de 13,8KV (lado Δ). Devido aos enrolamentos no interior do transformador, numero de espiras, há indução magnética (lei de Faraday) por meio da qual este nível de tensão é reduzido para 44 380/220 V (lado Y) de acordo com a equação 31. Esta tensão caracteriza o nível de baixa tensão. Na saída do transformador (parte posterior), tem-se quatro fios (3 fases + neutro) estes seguem através de caixas de passagem até o QDG (quadro de distribuição geral), alimentando os circuitos terminais e consequentemente as cargas do prédio. A Figura 23 mostra a caixa de passagem subterrânea existente no bloco de salas dos professores, através da qual as fases e o neutro seguem até o QDG. Fonte: Autoria própria Figura 23 – Transporte subterrâneo de fiação contendo carga trifásica A Figura 24 mostra a chegada das fases e do neutro do sistema trifásico de distribuição ao QDG. Fonte: Autoria Própria Figura 24 - Fiação transportando carga até o QDG 45 A Figura 25 mostra o quadro de distribuição geral presente no bloco de salas dos professores da UFERSA campus Angicos, no qual chegam as três fases e o neutro do sistema trifásico; a partir deste ponto, este sistema irá se dividir para alimentar os circuitos terminais e consequentemente as cargas do prédio na forma monofásica (1 – fase + neutro). Fonte: Autoria Própria Figura 25 - Quadro de Distribuição Geral (QDG) É interessante relembrar que, o interior dos transformadores é constituído de componentes como circuitos elétricos, para o cálculo da corrente que passa por esses circuitos é necessário o conhecimento da lei de Kirchhoff das correntes e da teoria abordada anteriormente. 46 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS O conhecimento básico da física e os mecanismos do eletromagnetismo, vistos na teoria, possuem aplicações práticas que são indispensáveis para a realização de processos essenciais no que tange o funcionamento de utensílios de grande e pequeno porte, desde máquinas elétricas, motores elétricos, em grandes indústrias, até lâmpadas tomadas, etc. em residências. No processo de distribuição de energia elétrica é imprescindível a utilização de certos equipamentos como os transformadores de potência, abaixadores ou elevadores, que possibilitem o correto funcionamento de equipamentos elétricos e máquinas elétricas. O interior desses transformadores é composto por enrolamentos que são configurados de acordo com a finalidade que se espera atingir; tais configurações são representadas como circuitos elétricos pelos quais circula corrente e tensão. A análise desses circuitos pode ser realizada utilizando-se a lei de OHM ou as leis de Kirchhoff, evidenciando o motivo pelo qual a teoria vista torna-se essencial do ponto de vista prático. A configuração dos enrolamentos dos transformadores da COSERN é o delta estrela aterrado, esse sistema representa uma alimentação em delta e uma carga em estrela com o neutro aterrado; método esse julgado o mais eficaz para o uso específico da concessionária de energia do estado; no lado delta, primário ou de alta tensão chega 13,8 KV, que passará por transformação e circulará pelo lado estrela, secundário ou de baixa tensão; no lado secundário, El que é a tensão de linha, a tensão entre duas fases, será percorrida uma tensão de 380 V e, Ef que é a tensão de fase, tensão entre uma fase e um neutro, será percorrida uma tensão de 220 V, desta forma tem-se a equação: El = √3 * Ef, 380 = √3 * 220. Os sistemas polifásicos de distribuição, mais precisamente os trifásicos, que são os mais utilizados, possuem importância relevante quando se refere ao atendimento de empresas de grande e pequeno porte, de concessionárias de energia elétrica ou até em residências onde haja uma alta demanda ou sobrecarga ocasionada por elevado número de equipamentos. Diante disso é consolidada a importância dos sistemas polifásicos em sistemas de distribuição de energia elétrica. Como foi observado no estudo de caso acerca da distribuição realizada no bloco de salas dos professores na UFERSA Angicos, esse sistema foi implantado nesse setor devido à demanda por carga elétrica, tendo em vista que o local apresenta cargas superiores ou iguais a 47 15.000W de potência instalada, logo, o próprio fornecedor se encarrega de providenciar um sistema trifásico para suprir a necessidade do cliente, evitando assim sobrecargas no sistema. O sistema trifásico apresenta inúmeras características que favorecem sua utilização. Tais características englobam os setores de economia, segurança, facilidade e os termos técnicos envolvidos. Diante de toda a análise realizada, pode-se tomar conhecimento da importância que esse sistema apresenta e de sua parcela de contribuição para que a energia elétrica se torne acessível ao consumidor em níveis adequados para o perfeito consumo. 48 REFERÊNCIAS ANEEL. Mercado de distribuição– Concessionárias de Energia Elétrica. Disponível em: <http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/leitura_arquivo/arquivos/Mercado_6.pdf>. Acesso em: 01 ago. 2013. BEHRENDT, Ken. Proteção para fontes delta não esperadas. New Berlin, Wi USA, 2002. BORGES, Carmen L. Tancredo. Análise de Sistemas de Potência. Rio de Janeiro-RJ: UFRJ, 2005. BOYLESTAD, Robert L. Introdução à análise de circuitos. 8.ed. Rio de Janeiro: Pearson Prentice Hall, 1998. BOYLESTAD, Robert L. Introdução à análise de circuitos. 10ª.ed. 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