Fundamentos da Eletricidade: Geração, Transmissão e Consumo

1 Fundamentos da Eletricidade GERAÇÃO TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO Porque a eletricidade é uma forma de energia tão importante Produção em larga escala Custos razoáveis Sistemas de transmissão e distribuição E ainda Possibilidade de conversão em outras formas de energia Lâmpadas Aquecedor Elétrico Motor elétrico Alto Falantes Geração de energia elétrica no Brasil Fonte Anuário estatístico de energia elétrica 2013 Geração Elétrica e Emissões Regiões Fontes Geração de energia elétrica no Mundo Fonte Anuário estatístico de energia elétrica 2013 Geração Elétrica e Emissões 1 2 3 4 5 6 2 Perfil do consumo de energia elétrica no Brasil Fonte Anuário estatístico de energia elétrica 2013 Geração Elétrica e Emissões Evolução da capacidade instalada de energia elétrica no Brasil Estrutura dos sistemas de energia elétrica GERAÇÃO TRANSMISSÃO DISTRIBUIÇÃO CONSUMO Sistema de transmissão e distribuição GRANDEZAS ELÉTRICAS Como visto no Eletromagnetismo Condutores as cargas elétricas se movem com facilidade pouco gasto de energia Exemplo cobre Isolantes as cargas elétricas apenas se movem com energias muito altas Exemplo borracha 7 8 9 10 11 12 3 Não confunda o significado Alguns termos tem duplo significado Tensão Elétrica V A tensão é uma grandeza que expressa a quantidade de energia ε necessária para deslocar uma carga q entre dois pontos A e B de um condutor A B A B Unidade Volt V Submúltiplos quilovolt kV 103 V milivolt mV 103 V microvolt μV 106 V Símbolo V ou Vt A tensão também é chamada de diferença de potencial ddp voltagem V ou força eletromotriz ε Como se representa a tensão elétrica Tensão V Módulo razão entre a energia fornecida E e o módulo da carga q que absorveu essa energia q E V E energia elétrica Joule q carga elétrica Coulomb Polaridade indica o terminal onde há excesso de cargas positivas ou negativas Um sinal negativo antecedendo o módulo da tensão elétrica indica que sua polaridade é contrária à real Instrumentos de medida de tensão Voltímetro analógico Multímetro digital Voltímetro digital Osciloscópio Formas de se obter Tensão Elétrica Fenômenos eletromagnéticos Reações químicas Conversão fotovoltaica Células solares Alternadores dínamos Pilhas baterias e células de combustível Formas de se obter Tensão Elétrica Efeito Seebeck é a produção de uma tensão elétrica entre duas junções de materiais diferentes quando elas estão em diferentes temperaturas Efeito Piezoelétrico é a capacidade de alguns cristais gerarem tensão elétrica por resposta a uma pressão mecânica 13 14 15 16 17 18 4 Tensão Contínua CC X Tensão Alternada CA O termo CC virou sinônimo de funções invariáveis com o tempo Tensão CC é aquela que mantém inalterados o módulo e a polaridade Pilhas e baterias O termo CA virou sinônimo de funções que variam de forma senoidal Tensão CA é aquela cuja forma de onde é cíclica e se assemelha a uma senoide Alternadores O que é Corrente Elétrica Movimento ordenado de cargas elétricas devido à aplicação de um diferença de potencial ou tensão Corrente Módulo quantidade de carga q que atravessa um condutor em um intervalo de tempo t Sentido deslocamento das cargas Símbolo I ou it Unidade Ampère A t q i q carga Coulomb t tempo Que Tipo de Carga se Movimenta nos Condutores Porque o sentido convencional é mais utilizado Tradição histórica na Física o conceito de carga básica positiva sempre foi mais utilizado Instrumentos de medida de corrente elétrica Miliamperímetro analógico Amperímetro digital Multímetro digital Multímetro digital alicate Corrente Contínua x Corrente Alternada Efeitos e Aplicações da Corrente Elétrica 19 20 21 22 23 24 5 Conexão de Multímetros em Diagramas de Circuitos A corrente indicada no instrumento terá um valor positivo se o sentido indicado pelo amperímetro for o do deslocamento aparente ou real de cargas positivas e negativo se o sentido indicado for o do deslocamento de cargas negativas Se a polaridade do instrumento for usada como referência no diagrama do circuito o sinal indicado no amperímetro corresponde ao sinal do portador de carga que se desloca no sentido indicado no circuito Desta forma evitase confusões com conceitos como sentido de corrente eletrônica ou sentido de corrente convencional pois o instrumento indica o sentido e o sinal do portador de carga que desloca Conexão dos instrumentos Representação esquemática dos instrumentos Conexão de Multímetros em Diagramas de Circuitos Conversão CA CC Retificação transformação CACC É muito utilizada em equipamentos portáteis e circuitos que necessitam de alimentação CC Conversão CC CA Inversão transformação CCCA É utilizada em circuitos que funcionam em CA mas são alimentados por fontes CC No breaks Painéis solares CC x CA Prós e Contras Potência Elétrica A potência p expressa a velocidade com que a energia em um dispositivo está sendo transformada Cálculo de potência em equipamentos elétricos Submúltiplos megawatt MW 106 W quilowatt kW 103 W miliwatt mW 103 W Símbolo P ou pt Unidade Watt W t E P Medidores de Potência Elétrica Wattímetro analógico Wattímetro digital Alicate wattímetro digital 25 26 27 28 29 30 6 Balanço de Potências O balaço de potência considera a potência total fornecida e a potência total absorvida Em obediência à Lei de Lavoisier elas devem ser iguais Costumase chamar de fonte de alimentação dispositivos que fornecem potência e carga àqueles que a absorvem Nos circuitos elétricos existem elementos que fornecem energia e outros que a absorvem transformandoa em outras modalidades de energia Por convenção temse Como saber se a potência de um elemento é positiva ou negativa Observando a relação entre o sentido da corrente e a polaridade da tensão no elemento Se a corrente entra pelo pólo POSITIVO da tensão POTÊNCIA POSITIVA elemento ABSORVE potência pelo pólo NEGATIVO da tensão POTÊNCIA NEGATIVA elemento FORNECE potência Potência Elétrica x Potência Mecânica Conceito de Potência Elétrica Generalizado A energia elétrica paga pelos consumidores corresponde a integral no tempo da parcela ativa da potência aparente e é normalmente indicada em kWh A potência reativa deve ser minimizada pois embora não represente a energia entregue à carga aumenta as perdas Joule nas linhas de transmissão devido ao vaievem da corrente reativa Corrente reativa é como Motorista e Trocador em um ônibus são transportados para todo lado mas não descem nunca Conceito de Potência Elétrica Generalizado Genericamente são identificadas uma variável de esforço e uma variável de fluxo circulação ou escoamento cujo produto corresponde à potência transferida entre A e B A potência É a variação da Energia no tempo ie ela é calculada matematicamente como o produto de duas variáveis Exemplos de potência fluxo Esforço Potência Potência Variável Sobre Esforço Variável Através Fluxo Unidades Elétrica V Tensão I Corrente VA Mecânica T Torque w Vel Angular Nm rads Mecânica Translação F Força v Vel Linear N ms Hidráulico P Pressão Q vazão Nm2 m3s Energia É um conceito intuitivo que indica a capacidade de um sistema realizar trabalho Num circuito elétrico pode ser interpretada como a grandeza capaz de alterar o comportamento das cargas elétricas Símbolo E ou et Unidade Joule J EM ELETRICIDADE É COMUM USARSE O QUILOWATTHORA kWh A energia elétrica pode ser obtida a partir de outras formas de energia mecânica solar nuclear etc Ela também pode ser facilmente convertida em outras formas de energia Acústica mecânica luminosa térmica 31 32 33 34 35 36 7 Cálculo do consumo de energia W energia consumida P potência do eletrodoméstico considerado P Vi onde V Tensão e i corrente t tempo de utilização do eletrodoméstico WPt Exemplo Eletrodoméstico Chuveiro elétrico Potência do chuveiro P5400 watts Tempo de utilização do chuveiro gasto de 10 minutos por dia Tempo em minutos acumulado no mês será T10mindia x 30 dias T300 minutos Convertendo este valor para horas teremos T30060 T5 horas Aplicando os valores encontrados temos W5400W x 5h W27000Wh 27 kWh que é a energia consumida pelo chuveiro no período considerado Energia e o Nosso Bolso O consumo de energia elétrica é um dos componentes da estrutura tarifária Os consumidores são divididos em Grupos de acordo com os níveis da tensão de alimentação Classes de acordo com a natureza da atividade exercida O valor do kWh é diferenciado de acordo com o grupo e a classe do consumidor O que se paga mensalmente as companhia concessionárias é a energia elétrica consumida Medidores de Energia Elétrica Analógicos Digitais Terminologia Utilizada nos Sistemas Tarifários Características Nominais Típicas de Aparelhos Eletroeletrônicos Características Nominais Típicas de Aparelhos Eletroeletrônicos 37 38 39 40 41 42 Equivoco entre W Whe Wh Medidas de Energia O watt é uma unidade de poténcia Padrao usado nos balangos energéticos A poténcia de uma lampada é 100 W O watthora indica uma taxa de variacdo da poténcia consumida com o tempo A lampada consome energia a uma taxa de 100 joules por segundo Eo watthora é uma unidade de energia gerada ou consumida Em uma hora consome 360000 joules ou 100 Wh Se ficar acesa durante 10 horas consumira 1000 Wh ou 1 kWh 43 44 PCI e PCS Medidas de Energia Convers6es e Unidades Gas zal PCS m COA coe kcalkg kcalkg VJ Sst 02388 a Ce fel 481 000397 Br me 86 sl rev textos aisaGr 45 46 Balanco de Energia Util e Energia Final Balanco de Energia Util e Energia Final Para 1 KW 1 Calcule quanto 1Kg de cada energético 250g de petroleo abaixo gera de energia elétrica 350g de carvao A Carvéo B Petrdleo 47 48 8 9 2 Quantas Kcal estes Kw produzem A Carvão B Petróleo Balanço de Energia Útil e Energia Final 3 Qual a eficiência de cada combustível Levandose em conta as Kcal úteis para cada Kg do energético A Carvão B Petróleo Balanço de Energia Útil e Energia Final 4 Qual a quantidade de carvão necessária para gerar energia elétrica consumida por uma lâmpada de 100W acesa durante um ano Balanço de Energia Útil e Energia Final Uma usina elétrica a carvão de 500 megawatts típica produz 35 bilhões de kWh por ano Isso é energia suficiente para 4 milhões de lâmpadas funcionarem durante um ano inteiro Para produzir essa quantidade de energia elétrica a usina queima 143 milhões de toneladas de carvão Balanço de Energia Útil e Energia Final Entretanto a mesma usina também produz Balanço de Energia Útil e Energia Final Uma usina elétrica a carvão também produz pequenas quantidades de quase todos os elementos da tabela periódica incluindo os radioativos Na verdade uma usina elétrica a carvão emite mais radiação que uma usina nuclear que esteja funcionando apropriadamente Balanço de Energia Útil e Energia Final 49 50 51 52 53 54 10 5 Uma tensão de 127V alimenta um chuveiro de 72kW Determinar a A corrente drenada pelo chuveiro b Caso permaneça ligado por 15 minutos qual a energia consumida pelo chuveiro em kWh c Considerando que o custo da energia é de R090kWh calcule o custo mensal de consumo do chuveiro para 4 banhos de 15min por dia Balanço de Energia Útil e Energia Final ELEMENTO DE CIRCUITOS Fontes de Alimentação Uma fonte de alimentação é um elemento capaz de entregar alimentar energia a um circuito elétrico A alimentação é feita através da tensão que a fonte apresenta entre seus terminais de saída fonte de tensão A tensão pode ser contínua fonte CC DC ou alternada fonte CA AC Fonte com carga carregada Fonte em aberto a vazio 𝑽 𝑽 Fontes de Alimentação Tradicionalmente atribuise o termo fonte de alimentação a uma fonte de tensão Todavia não se pode esquecer que um circuito pode possuir fontes de corrente Qual é a diferença entre elas Fonte de tensão ideal a tensão se mantém para qualquer variação de corrente Fonte de corrente ideal a corrente se mantém para qualquer variação de tensão Fontes de tensão são mais fáceis de encontrar e de construir Contudo em algumas aplicações é importante utilizar o conceito de fonte de corrente Fontes de Tensão Ideal Entendese por fonte de tensão ideal a fonte de tensão que é capaz de manter o seu valor de tensão para qualquer carga ie a quantidade de corrente elétrica drenada desta fonte pode ser infinita Curva Característica VxA Tensão constante independente da corrente drenada Fontes de Tensão Real Em uma fonte de tensão real a tensão nominal fornecida se mantém até uma determinada carga À medida que a carga exige mais corrente a tensão de saída diminui Curva Característica VxA Tensão nominal tensão medida quando a fonte está em aberto Curva Característica VxA 55 56 57 58 59 60 Fontes de Tensdo Real Curvas Caracteristicas Em series aumento da tensao nos terminais da associacao Fonte de tens3o ideal resisténcia nula na sada eI I 4 I ae 4 E i Em qualquer um dos 7 V nEn Vv casos é importante a 2 y v Vp E rificar a polaridade V a das fontes BY VE Ve I ie oo Fonte de tensao real resistncia em série na saida da fonte Em paralelo estabilizacdo da tensao nos terminais da associacao v Jy sy Ve R En En En Vv En 7 V RIVz wa V 5 Va I R 61 62 Curvas Caracteristicas Curvas Caracteristicas 1 i Fonte de corrente ideal resisténcia nula na saida Chave aberta ideal I I i I L I é 10 oS Vv T1 Figura Fotodiocs Vv i v y v f Freee warty rrente elérica eé modelado por uma fonte to i Fonte de corrente real resisténcia em paralelo Sean CLEAN Chave fechada ideal Reet na saida da fonte i I I Se f van wie J 1 coma 5 v0 ea Ie t sas Vv a v F Si I eteasnie Figura Chaves ou Interruptores v ws 63 64 aan sauce sae Resisténcia Elétrica Primeira Lei de Ohm A resisténcia R mede o grau de oposicao que um corpo apresenta A tensdo em um resistor é diretamente proporcional a Dh a passagem de corrente elétrica corrente que passa pelo mesmo George S Ohm Simbolo VRI Unidade Ohm 2 17891854 I R Multiplos e submultiplos megaohm MQ 10Q uw Em suma seus experimentos quiloohm kQ 1032 ee 200 consistiam em aplicar uma ddp VW miliohm mQ 1032 ou em um dado material e observar f Ve a variagdo da corrente elétrica Re ea oY Au Algumas aplicag6es da resisténcia elétrica Ai a Producdo de calor aa Reducdo da corrente elétrica em circuitos Potenciometro Acionamentos e controle de motores i j 100 iin Observando a reta wees Py 0 que pode se dizer gree as de sua inclinagéo E constante r Ia is 3 Resistor de carbono i a mr Resistor de fio 65 66 12 Lei de Ohm Na prática não existem elementos perfeitamente lineares A natureza é nãolinear Todavia a menos que se diga o contrário imaginase que todos os elementos estão operando dentro da faixa de linearidade sendo considerados lineares por faixa Resistores Fixos Resistor de filme metálico carbono Resistor de Carbono Resistor de Fio Resistores Variáveis Tipos Especiais de Resistores Extensômetro Metálico Célula de Carga Termistor Resistor Dependente de Temperatura Transistor Transference Resistor LDR Resistor Dependente de Luz Fusistor Fusível Resistivo 2ª Lei de Ohm a resistência de um condutor de seção reta uniforme é diretamente proporcional ao comprimento do condutor e inversamente proporcional a área da seção reta A resistividade ρ é uma característica intrínseca do material que por sua vez irá determinar a sua resistência elétrica através Sendo Lcomprimento do trajeto da corrente A área da seção transversal A do material ρ da resistividade do material Resistividade O comprimento e a área da seção transversal dependem dos pontos de aplicação da tensão ddp Resistividade de Alguns Condutores 67 68 69 70 71 72 13 A resistividade varia com a temperatura sob a qual o material está submetido sendo dada por Onde ρf coeficiente de temperatura final ρi coeficiente de temperatura inicial α constante cujo valor depende somente do material considerado ΔΤ variação de temperatura 1 T i f Δ α ρ ρ Alguns coeficientes de temperatura a 20oC Variação da Resistividade Exemplo Um filamento de tungstênio de uma lâmpada quando apagada 20ºC tem uma resistência Ri Qual o valor relativo da resistência do filamento quando a lâmpada estiver acesa 2000ºC α 00045ºC1 Tf 2000ºC Ti 20ºC Resposta Variação da Resistividade Potência e Energia em Resistores Resistores sempre absorvem energia elétrica e a transforma em outro tipo de energia Resistores em Série A resistência equivalente de uma associação de resistores em série é sempre maior que qualquer resistência da associação Resistores em Paralelo A resistência equivalente de uma associação de resistores em paralelo é sempre menor que qualquer resistência da associação Exercício Determine a resistência total do circuito em série abaixo a Calcule a corrente fornecida pela fonte b Determine as tensões V1 V2 e V3 c Calcule a potência dissipada por R1 R2 e R3 d Calcule a potência dissipada pela fonte e compare com a soma das potências calculadas nas partes 73 74 75 76 77 78 14 Exercício A resistência de uma lâmpada incandescente de 60 W e 230 V à temperatura ambiente de 20 C é 65 Ω No entanto as especificações do fabricante 60 W e 230 V conduzem a um valor muito mais elevado da resistência Justifique calculando a temperatura do filamento de tungsténio quando a lâmpada se encontra acesa Anuário estatístico de energia elétrica 2013 Geração Elétrica e Emissões ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS Instalações elétricas de baixa tensão 2ed Rio de Janeiro 2004 vii 209 p COTRIM Ademaro A M B Instalações elétricas 5 ed rev e atual conforme a NBR 54102004 São Paulo PearsonPrentice Hall 2009 viii 496 p CREDER Hélio Instalações elétricas 15 ed Rio de Janeiro LTC 2007 DORF R C SVOBODA J A Introdução aos Circuitos Elétricos 5ª Edição Editora LTC Rio de Janeiro RJ 2003 GUSSOW M Eletricidade Básica 2ª Edição Pearson Makron Books SP 1997 LIMA FILHO Domingos Leite Projetos de instalações elétricas prediais 12ed rev São Paulo Érica 2011 MAMEDE FILHO João Instalações elétricas industriais 8 ed Rio de Janeiro LTC 2010 NISKIER Julio Manual de instalações elétricas Rio de Janeiro LTC 2005 NISKIER Julio MACINTYRE Archibald Joseph Instalações elétricas 6 ed Rio de Janeiro LTC 2013 OMALLEY J Análise de Circuitos 2ª Edição Makron Books SP 1994 ROMERO Marcelo de Andrade REIS Lineu Belico dos Eficiência energética em edifícios Barueri Manole 214p TIPLER P A Física 4ª Edição LTC RJ 2000 Referências 79 80