Material Teórico: Corrente Contínua e Alternada

Material Teórico Corrente Contínua e Alternada Responsável pelo Conteúdo Prof Me Vinícius Azevedo Borges Revisão Textual Prof Me Claudio Brites Eletricidade e Instalações Elétricas Cruzeiro do Sul Virtual Educação a distância UNIDADE Corrente Contínua e Alternada Força Eletromotriz Geração de Força Eletromotriz Circuitos de Corrente Alternada Geradores Monofásicos e Trifásicos Fator de Potência OBJETIVO DE APRENDIZADO Conhecer métodos de transformação de energia para a geração de energia elétrica principalmente na forma de corrente alternada Força Eletromotriz Para que um circuito elétrico funcione é necessária uma fonte de tensão ou de corrente Mais especificamente é preciso que exista um elemento que forneça cargas elétricas para o circuito operar Essa fonte exerce uma força chamada de força eletromotriz fem que provoca o movimento de cargas através do circuito elétrico A força eletromotriz exercida pela fonte em geral possui origem em uma energia armazenada de forma não elétrica que é convertida em energia elétrica Nas baterias por exemplo a força eletromotriz ocorre pela conversão da energia química em energia elétrica Quando tratamos de força eletromotriz ou fem estaremos falando de uma fonte de energia A unidade utilizada para fem é a mesma de tensão elétrica o Volt Na Figura 1 é ilustrado um circuito elétrico bem simples com apenas uma fonte e um resistor Em um circuito elétrico a fem pode ser representada por uma seta com um círculo na origem da seta isso para diferenciar as outras setas que representam o sentido da corrente elétrica O sentido da fem sempre será do terminal de menor potencial da fonte para o terminal de maior potencial No caso de um circuito com apenas uma fonte o sentido da fem coincidirá com o sentido da corrente elétrica do circuito Em um circuito elétrico o sentido da corrente é sempre do terminal de maior potencial para o terminal de menor potencial A seta vermelha que representa a fem da fonte indica porém que dentro dessa fonte as cargas positivas são levadas de um potencial de menor energia para um potencial de maior energia Esse é exatamente o conceito de força eletromotriz O circuito elétrico consome energia das cargas elétricas enquanto a fonte fornece mais energia a essas cargas Força Eletromotriz disponível em httpsbitly2Ejigkl Geração de Força Eletromotriz Um princípio básico da natureza é o da conservação de energia Em qualquer sistema fechado como é o caso dos circuitos elétricos e dos geradores de energia a energia não pode ser criada e não pode ser destruída apenas pode ser transformada Na natureza encontramos diversas formas de energia Um raio que consiste em uma descarga elétrica atmosférica pode fornecer energia na forma de electricidade O sol nos fornece energia em forma de luz e calor Podemos obter energia química dos elementos esta é a origem da energia das pilhas e baterias Os átomos possuem grande quantidade de energia armazenada em seus núcleos conhecida como energia nuclear Uma fruta no alto de uma árvore possui energia potencial gravitacional que pode se transformar em energia cinética quando se desprende do galho e desce até o chão Ao atingir o chão converte a energia cinética em energia sonora e energia de deformação Mas como podemos utilizar a natureza a nosso favor para obter energia elétrica Na verdade já somos capazes de obter energia elétrica da maioria dessas fontes naturais No caso da luz solar a energia é obtida através de placas fotovoltaicas que em contato com a luz do sol e uma vez que estejam ligadas a algum circuito produzem uma corrente contínua de energia elétrica Para uso residencial essa energia em corrente contínua precisa ser convertida em corrente alternada que é o padrão de transmissão e distribuição de energia Orientações de estudo Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem aproveitado e haja maior aplicabilidade na sua formação acadêmica e atuação profissional siga algumas recomendações básicas Procure manter contato com seus colegas e tutores para trocar ideias Isso amplia a aprendizagem Determine um horário fixo para estudar Mantenha o foco Evite se distrair com as redes sociais Aproveite as indicações de Material Complementar Conserve seu material e local de estudos sempre organizados Seja original Nunca plagie trabalhos Assim Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte da sua rotina Por exemplo você poderá determinar um dia e horário fixos como seu momento de estudo Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar lembrese de que uma alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo No material de cada Unidade há leituras indicadas e entre elas artigos científicos livros vídeos e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade Além disso você também encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar que ampliará sua interpretação e auxiliará no pleno entendimento dos temas abordados Após o contato com o conteúdo proposto participe dos debates mediados em fóruns de discussão pois isso irá auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento além de propor e aprender com os colegas o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e de aprendizado A maior parte da energia que extraímos de recursos naturais diferentemente da energia solar envolve o aproveitamento de alguma energia de movimento para conversão em energia elétrica Uma hidrelétrica aproveita o movimento das águas para mover turbinas que convertem energia mecânica em energia elétrica Uma usina termelétrica converte energia química pela queima de combustíveis fósseis ou carvão vegetal em energia mecânica e essa em energia elétrica Uma usina nuclear transforma a energia armazenada no núcleo de átomos em energia térmica que é convertida em energia mecânica e por fim convertida em energia elétrica A energia eólica é a conversão da energia cinética dos ventos em energia elétrica através da movimentação de turbinas Em qualquer um dos casos há sempre um passo de transformação de energia em forma mecânica em energia elétrica Essa conversão de energia mecânica em energia elétrica é possível graças à interação entre as forças magnéticas com cargas elétricas Sabemos que cargas elétricas interagem entre si podendo se atrair ou repeler Os ímãs possuem comportamento similar com a diferença de que os dois polos de um ímã norte e sul não podem ser separados mas um polo sempre atrairá outro polo diferente e repelirá outro polo igual A Lei da Indução Eletromagnética prevê como um campo magnético pode afetar um circuito elétrico e gerar uma força eletromotriz Em um fio condutor por exemplo que é colocado em movimento em relação a um ímã ocorrerá a separação das cargas elétricas presentes em seu interior fazendoas migrar para suas extremidades A Figura 4 ilustra essa situação Na Figura 4 os x em vermelho representam um campo magnético B que está entrando na folha A barra metálica é movida da esquerda para a direita com velocidade v e essa condição induz a uma força Fm que separa as cargas em seu interior e as posiciona em seus extremos Após sair da região de ação do campo magnético a tendência é de que as cargas que migraram para os extremos da barra metálica retornem para as posições de equilíbrio eletrostático Se essa barra for conectada a um circuito elétrico e forçada a se mover entrando e saindo desse campo magnético ela funcionará como uma fonte de energia para o circuito A maioria dos geradores elétricos que utilizamos hoje seguem esse princípio de funcionamento Motores elétricos e geradores elétricos por indução funcionam basicamente da mesma maneira Ao se forçar o giro do eixo de um motor elétrico ele produzirá uma diferença de potencial entre seus terminais que podem ser conectados a um circuito elétrico e produzir corrente elétrica Esse tipo de gerador produz um tipo de corrente diferente daquela produzida por uma bateria pilha ou placa fotovoltaica Enquanto a corrente fornecida por uma bateria é do tipo contínua CC esse tipo de gerador produz uma corrente do tipo alternada CA A corrente alternada se comporta de acordo com uma curva senoidal Na rede elétrica residencial a frequência dessa senóide é de 60 Hz o que significa que em um segundo a corrente muda de sentido e volta para o sentido que estava 60 vezes por segundo O gráfico da Figura 6 ilustra a diferença entre esses dois tipos de corrente Vamos fazer uma analogia para facilitar a compreensão da diferença entre esses dois tipos de corrente Imagine que você está andando de bicicleta e está com os pés presos aos pedais Você é a fonte de energia pois é você quem produz a força suficiente para que a bicicleta circuito se movimente Se você pedala da maneira convencional empurrando um pé para frente em seguida outro e assim por diante você está movimentando os pedais de maneira contínua equivalente ao que acontece em um circuito de corrente contínua Por outro lado você pode pedalar com apenas um dos pés descansando o outro em movimento alternado ora pressionando o pedal para frente ora invertendo o movimento e voltando o pé para trás Nesse caso você também conseguiria locomover a bicicleta porém movimentando os pedais de maneira alternada assim como acontece em um circuito de corrente alternada A diferença entre esta analogia e um circuito real de corrente alternada é que a força eletromotriz é produzida nos dois sentidos enquanto a força para voltar o pedal da bicicleta para trás não é responsável por produzir movimento A corrente contínua em um circuito elétrico com resistores percorrerá o circuito sempre no mesmo sentido e com a mesma intensidade caso não haja alterações no circuito Já a corrente alternada percorrerá o mesmo circuito de maneira variada alterando sua intensidade e sentido ao longo do tempo Quando temos uma fonte de energia de corrente contínua identificamos seus terminais como positivo e negativo e sabemos que convencionalmente a corrente elétrica percorrerá o circuito saindo do terminal positivo e chegando ao terminal negativo dessa fonte No caso de uma fonte de energia de corrente alternada a cada instante seus terminais terão valores diferentes de tensão forçando a corrente elétrica pelo circuito ora em um sentido ora no sentido oposto Assim a cada instante analisado poderemos ter variações quanto a qual terminal dessa fonte alternada é o positivo e qual é o negativo por isso não utilizamos a mesma identificação para seus terminais Em uma fonte alternada de energia utilizamos a denominação de fase para um terminal que varia seu potencial elétrico ao longo do tempo de acordo com a senóide apresentada no gráfico da Figura 6 e neutro para um terminal que mantém seu potencial constante no tempo A tensão nominal de uma fase de uma fonte de corrente alternada é o valor da amplitude do seno Podese também utilizar duas fases da fonte para se obter tensões maiores como mostrado mais adiante na Figura 10 As fiações em nossa residência seguem a mesma identificação podendo possuir um terminal neutro e pelo menos um terminal de fase A tensão de uma tomada na rede elétrica residencial é dada pela diferença de potencial entre os terminais da tomada Veja um esquema elétrico residencial na Figura 8 No esquema da Figura 8 os fios azuis representam o potencial neutro os fios vermelhos são o potencial fase e os fios verdes são a proteção do circuito por aterramento Nesse tipo de ligação se o terminal de fase fornecer 110V de tensão máxima em relação ao terminal neutro então essa será a tensão máxima fornecida para os equipamentos ligados na residência Em algumas regiões do nosso país a tensão de 220V é fornecida por apenas um terminal de fase com tensão máxima de 220V sistema 380220V Em outras regiões a tensão de 220V é fornecida por dois terminais fase sistema 220127V cada um com 110V de tensão máxima porém com uma defasagem entre as fases A energia elétrica é gerada e transmitida geralmente sob a forma de corrente alternada Vários são os motivos dessa escolha Entre elas a economia e a eficiência são as principais Devido à resistência elétrica ainda que pequena presente nos materiais condutores a corrente contínua apresenta maior perda de energia por aquecimento Para reduzir esse aquecimento e a perda de energia o condutor deve possuir o mínimo de resistência elétrica o que o torna mais caro Considerando as longas distâncias de transmissão de energia a perda energética seria muito maior do que a de energia efetivamente transmitida A transmissão de energia em corrente alternada reduz a perda energética por aquecimento permitindo o uso de cabos mais baratos Outra grande vantagem de se transmitir energia em corrente alternada é a facilidade de transformação de níveis de tensão Utilizando um transformador Figura 9 é possível transformar uma corrente de alta tensão em uma de baixa tensão e viceversa Isso é importante pois a energia transmitida a longas distâncias precisa possuir tensões altas para vencer a resistência dos cabos e forçar o fluxo de cargas através deles No entanto essas tensões são perigosas para uso residencial e industrial Portanto para a utilização final dessa energia transmitida a alta tensão deve ser transformada em baixa tensão que costuma ser de 127V ou 220V por fase A tensão nominal da fonte alternada é de 10V Isso quer dizer que a tensão real da fonte vai variar entre 0V e 10V segundo a equação Vi V₀cosωt θ Equação 1 onde V é a tensão real da fonte no instante de tempo t V₀ é a tensão nominal máxima da fonte ω é a frequência de oscilação da fonte alternada para a rede elétrica residencial ω 60 Hz e φ é a fase inicial da tensão medida em radianos É possível calcular também a corrente i que flui através do resistor R através da seguinte equação ii V R V₀cosωt θ R i₀cosωt δ Equação 2 onde δ é a fase inicial da corrente em radianos Na prática a maioria dos equipamentos que utilizamos na rede elétrica costuma operar de duas maneiras a primeira delas é convertendo a tensão de corrente alternada para tensão de corrente contínua e a segunda é com os componentes do circuito elétrico trabalhando em sincronicismo com a tensão de corrente alternada No primeiro caso encontramos a maioria dos equipamentos mais sensíveis como computadores celulares televisores mais modernos equipamentos eletrônicos com circuitos mais complexos que funcionam com corrente contínua proveniente de fontes internas ou externas ao equipamento No segundo caso encontramos equipamentos que usam motores ou elementos indutores ou capacitivos como ventiladores geladeiras e ferramentas elétricas Considerando a Equação 1 o que vemos na Figura 11 é que em uma rede elétrica trifásica o valor do coeficiente φ é de 0º 120º e 240º para as fases 1 2 e 3 respectivamente Essa defasagem é constante ao longo do tempo e permite que as fases sejam combinadas entre si para fornecer tensões diferentes da tensão nominal do gerador Na Figura 12 vemos como pode ser utilizada a rede trifásica considerando que o gerador dessa rede possui tensão nominal de 220V e as indicações R S e T se referem aos terminais fase e a N se refere ao terminal neutro dessa rede Veja que ao utilizarmos qualquer terminal de fase juntamente ao terminal neutro obtemos uma tensão nominal de 220V Porém se combinarmos duas fases quaisquer a tensão nominal será de 380V Voltando ao gráfico da Figura 11 se analisarmos apenas uma das fases o valor de tensão nominal será igual à diferença entre o valor real da tensão e o valor da tensão do terminal neutro que é 0V quando essa diferença é máxima O sistema trifásico oferece diversas vantagens sobre o monofásico sendo o sistema mais utilizado no mundo para distribuição de energia Além de poder fornecer dois níveis de tensão diferentes os geradores trifásicos são mais eficientes que os monofásicos o que significa que para produzir a mesma potência um gerador trifásico pode ser mais leve e menor do que seu correspondente monofásico O sistema trifásico devido à maior eficiência energética consegue fornecer a mesma potência que o sistema monofásico usando menos materiais condutores em geral cobre e alumínio o que acarreta em redução de custos e de peso com esses materiais Os motores trifásicos também apresentam vantagens sobre os monofásicos Um motor trifásico produz um torque constante Já os motores monofásicos por usarem apenas uma fase da rede produzirão um torque que varia de intensidade passando por instantes em que o torque é nulo e só continua girando devido à inércia A potência fornecida pelo sistema monofásico também possui maior variação chegando a zero em torno de 120 vezes por segundo Já no sistema trifásico a potência nunca é nula pois sempre haverá diferença de potencial maior do que zero entre seus terminais Em casos de sobrecarga na rede elétrica se o sistema utilizado for o monofásico haverá falta de energia em todos os equipamentos ligados nessa rede Se isso acontecer no sistema trifásico apenas a fase sobrecarregada deixará de fornecer energia até que o problema seja solucionado Até lá tudo o que estiver conectado às outras duas fases continuará funcionando Podemos reescrever a Equação 3 para corrente alternada de um sistema monofásico Pi Vrir Vocosωt θiocosωt δ Voiocosθ δ Voio2cos2ωt θ δ Equação 4 No caso de outros equipamentos que possuem motores indutores capacitores ou outros elementos similares uma outra potência entra em cena chamada de potência reativa Q medida em VoltAmpere reativo VAr A soma vetorial da potência real P ou potência ativa com a potência reativa nos fornece um valor de potência aparente N ou potência total que representa o valor de potência que é drenado pela rede elétrica para alimentar o sistema Podemos indicar essa soma vetorial conforme a Figura 13 em um triângulo retângulo onde a potência aparente representa a hipotenusa as potências ativa e reativa representam os catetos e o ângulo φ0δ Figura 13 Relação entre potências Podemos relacionar as potências ativa reativa e aparente de acordo com as seguintes equações P² Q² N² Equação 5 P Ncosφ Equação 6 Q Nsinφ Equação 7 O fator de potência FP é um valor definido pela razão entre a potência real P e a potência aparente N O fator de potência indica a eficiência de determinado equipamento mostrando quanto da potência fornecida pela rede elétrica é convertida em trabalho efetivamente Quanto maior o valor de FP maior será a eficiência energética do sistema ou equipamento Podemos calcular o FP da seguinte maneira FP PN Equação 8 onde FP é o fator de potência P é a potência ativa medida em Watt aquela que efetivamente produz trabalho e N é a potência aparente medida em VoltAmperes VA Suponha que tenhamos uma carga monofásica que absorva 50 kW e 15 kVAr podemos calcular a potência aparente absorvida de acordo com a Equação 5 da seguinte maneira N P² Q² 50² 15² 522kVA Também podemos encontrar o fator de potência dessa carga utilizando a Equação 8 FP PN 50522 096 indutivo A potência ativa para casos onde não temos apenas cargas resistivas no circuito e estamos trabalhando com circuitos elétricos de corrente alternada monofásicos pode ser calculada da seguinte maneira P NFP Equação 9 Se estivermos tratando de um equipamento ligado à rede trifásica deve haver ainda um fator de correção de 3 na equação ficando assim Pj 3Ncosφ 3NFP Equação 10 Qj 3Nsinφ Equação 11 Nj 3N Pj² Qj² Equação 12 Suponha um motor ligado à rede elétrica trifásica A tensão da rede é de 220 V a corrente exigida por esse motor é de 10 A por fase e ele possui um fator de potência de 95 Para calcularmos a potência fornecida pela rede podemos utilizar a Equação 10 P 3NFP 173ViFP 17322010095 36157W É importante conhecer o fator de potência dos equipamentos ligados à rede elétrica pois ele indica o quão eficiente é o equipamento ou o quanto aquele equipamento realmente entrega de trabalho a partir da energia que ele consome Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade Livros Fundamentos de física HALLIDAY David RESNICK Robert WALKER Jearl Fundamentos de física v 3 8 ed Rio de Janeiro LTC 2009 Instalações Elétricas CREDER Hélio Instalações elétricas Rio de Janeiro LTC 2016 Leitura Circuito elétrico httpsbitly2IH8If5 Electricidade httpsbitly2XV8rZl Referências CIRCUITO ELÉTRICO In WIKIPÉDIA a enciclopédia livre Flórida Wikimedia Foundation 2018 Disponível em httpsptwikipediaorgwindexphptitleCircuitoelC3A9tricooldid53797201 Acesso em 10 dez 2018 COTRIM A A M B Instalações Elétricas 5 ed São Paulo Pearson Prentice Hall 2009 CREDER Hélio Instalações elétricas Rio de Janeiro LTC 2016 ELETRICIDADE In Toda Matéria Disponível em httpswwwtodamateriacombreletrecidade Acesso em 10 dez 2018 HALLIDAY David RESNICK Robert WALKER Jearl Fundamentos de física v 3 8 ed Rio de Janeiro LTC 2009 LARA L A M Instalações elétricas Ouro Preto IFMG 2012 22 Cruzeiro do Sul Educacional