Introdução aos Circuitos Elétricos - Unidade 0

1 wwwfaesabr 16022022 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PROF LEONARDO RIBAS MSc 5º período ENGENHARIA CIVIL UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos 16022022 INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS ELÉTRICOS Objetivos da Unidade 0 Conhecer o Sistema Elétrico de Potência brasileiro identificando as principais funções das partes Entender o conceito de impedância resistência capacitância e indutância Conhecer aprender e aplicar os conceitos básicos sobre Potência Energia e Fator de potência Compreender o funcionamento de circuitos elétricos trifásicos em regime permanente senoidal UNIDADE 0 16022022 3 Leituras Recomendadas para estudo CAPÍTULOS 9 10 e 11 do livrotexto 1 NILSON James W RIEDEL Susan A Circuitos Elétricos LTC 2008 CAPÍTULOS 10 11 e 12 do livrotexto 2 SVOBODA James A DORF Richard C Introdução aos Circuitos Elétricos LTC 2016 CAPÍTULO 10 11 e 12 do livrotexto complementar IRWIN J David Análise de Circuitos em Engenharia MAKROW Books 2000 Material didático fornecido pelo Professor pelo AVA Slides de aula do Professor ATIVIDADES COMPLEMENTARES INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc 16022022 INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS ELÉTRICOS Noções básicas do Sistema Elétrico de Potência Lei de Ohm Análise de Circuitos em Regime Permanente Senoidal Noções básicas de Capacitância Indutância Impedância e Fasores Potência Energia e Fator de Potência Circuitos Trifásicos UNIDADE 0 16022022 INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS ELÉTRICOS Noções básicas do Sistema Elétrico de Potência Lei de Ohm Análise de Circuitos em Regime Permanente Senoidal Noções básicas de Capacitância Indutância Impedância e Fasores Potência Energia e Fator de Potência Circuitos Trifásicos UNIDADE 0 16022022 6 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc Aspectos Gerais do Sistema Elétrico de Potência SEP O SEP têm as funções de Gerador Transportador e Distribuidor do produto energia elétrica NOÇÕES BÁSICAS DO SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos Função Básica do SEP Fornecer energia elétrica aos consumidores grandes ou pequenos Garantir a qualidade do produto adequada Garantir a disponibilidade do serviço Garantir a conformidade do serviço Permitir flexibilidade na rede elétrica 16022022 7 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc Visão Geral do Sistema Elétrico de Potência SEP NOÇÕES BÁSICAS DO SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos 138kV 22 a 22kV 138kV 230kV 345kV 500kV 600kV 800kV 138kV e 345kV 345kV 69kV e 138kV 127220V e 220V380V 16022022 8 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc Visão Geral do Sistema Elétrico de Potência SEP NOÇÕES BÁSICAS DO SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos Após 2012 Resolução 48212 16022022 9 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc Organização do Sistema Elétrico de Potência SEP NOÇÕES BÁSICAS DO SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos wwwcceeorgbr wwwonsorgbr 16022022 INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS ELÉTRICOS Noções básicas do Sistema Elétrico de Potência Lei de Ohm Análise de Circuitos em Regime Permanente Senoidal Noções básicas de Capacitância Indutância Impedância e Fasores Potência Energia e Fator de Potência Circuitos Trifásicos UNIDADE 0 LEI DE OHM UNIDADE 0 Introdugao aos Circuitos Elétricos Lei de Ohm V R ampéres A I volts V Vronte RS V V I Wh watts W ou joulessegundo Js a fa y2 A P Poténcia P watts W 7 W mecanica desenvolvida R 5 AR horsepower Poténcia o 5 wary Se 16022022 INSTALACOES ELETRICAS Prof Leonardo Ribas MSc ESFAESA 11 16022022 12 LEI DE OHM UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc Exemplo 1 Vamos criar um modelo para uma bateria de automóvel quando o farol está aceso e o motor não está funcionando Todos nós já vimos um carro parado com os faróis acesos Quando deixamos o carro nessa situação por muito tempo a bateria arria ou descarrega Uma bateria de automóvel é uma fonte de tensão constante de e os faróis podem ser modelados por um resistor de O circuito aparece na figura abaixo Vamos calcular a corrente a potência e a fornecida pela bateria durante um período de quatro horas Figura circuito equivalente de uma bateria liada aos faróis de um automóvel 16022022 13 LEI DE OHM UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc Medição de Tensão e Corrente Para medirmos o valor da sobre um elemento de um circuito elétrico utilizamos o instrumento denominado voltímetro e este deve estar conectado em paralelo ao elemento desejado Voltímetro Voltímetro Conexão em paralelo ao resistor de 1kΩ 16022022 14 LEI DE OHM UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc Para medirmos o valor da que passa por um ramo malha ou em um circuito elétrico completo utilizamos o instrumento denominado de amperímetro e este deve estar conectado em série com o circuito Amperímetro Conexão em série ao circuito 16022022 INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS ELÉTRICOS Noções básicas do Sistema Elétrico de Potência Lei de Ohm Análise de Circuitos em Regime Permanente Senoidal Noções básicas de Capacitância Indutância Impedância e Fasores Potência Energia e Fator de Potência Circuitos Trifásicos UNIDADE 0 16022022 16 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc Por que devemos estudar análise de circuitos em regime permanente senoidal ANÁLISE DE CIRCUITOS EM REGIME PERMANENTE SENOIDAL UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos Fonte imagens da internet Geração Transmissão Distribuição Consumo Regime Senoidal 16022022 17 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc Gerando a energia AC por meio da Lei de Faraday ANÁLISE DE CIRCUITOS EM REGIME PERMANENTE SENOIDAL UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos Figura 1 geração CA Figura 2 equivalência entre a fem induzida e a posição angular da bobina Figura 3 onda senoidal resultante 16022022 18 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc Gerando a energia AC por meio da Lei de Faraday ANÁLISE DE CIRCUITOS EM REGIME PERMANENTE SENOIDAL UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos Figura 1 Esquema geral do Gerador trifásico O número de enrolamentos do gerador define o número de fases do sistema elétrico Na prática os sistemas trifásicos no Brasil utilizam três enrolamentos espaçados de 120 A soma fasorial das três tensões de fase em qualquer instante de tempo é nula As três fases são conhecidas também como R S e T As três tensões são ditas equibilibradas por terem a mesma amplitude a mesma frequência e defasagem exata de 120 entre elas Também conhecido como tensões simétricas ANALISE DE CIRCUITOS EM REGIME PERMANENTE SENOIDAL UNIDADE 0 Introdugao aos Circuitos Elétricos e Parametros da tensao OU corrente senoidal T ccc eee v tensao oui para corrente e Vin amplitude maxima Uj para corrente i Epp E PN ee Sit ati ee RE ia BR at w velocidade angular T Figura 4 forma de onda senoidal e seus parametros 1 angulo de fase f T frequencia em hertz Hz weg devem estar na mesma unidade hertz 1 ciclo por segundo anf rads numero de graus x radianos Relacao entre a frequéncia 0 periodo e a velocidade angular 16022022 INSTALACOES ELETRICAS Prof Leonardo Ribas MSc ESFAESA 19 16022022 20 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc ANÁLISE DE CIRCUITOS EM REGIME PERMANENTE SENOIDAL UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos Parâmetros da tensão ou corrente senoidal Figura 6 defasagem entre sinais senoidais 16022022 INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS ELÉTRICOS Noções básicas do Sistema Elétrico de Potência Lei de Ohm Análise de Circuitos em Regime Permanente Senoidal Noções básicas de Capacitância Indutância Impedância e Fasores Potência Energia e Fator de Potência Circuitos Trifásicos UNIDADE 0 16022022 22 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc NOÇÕES BÁSICAS DE CAPACITÂNCIA INDUTÂNCIA IMPEDÂNCIA E FASOR UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos Por que utilizar o conceito de fasor Em sistemas de potência utilizamos fasores para representar tensões e correntes A notação fasorial é utilizada para simplificar a resolução de problemas envolvendo funções senoidais no domínio do tempo No domínio do tempo a análise de circuitos RLC envolvem equações diferenciais O uso de fasor permite transformar as equações diferencias em expressões algébricas simples Normalmente o módulo do fasor é o valor eficaz da senoide 16022022 23 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc NOÇÕES BÁSICAS DE CAPACITÂNCIA INDUTÂNCIA IMPEDÂNCIA E FASOR UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos Por que utilizar o conceito de fasor FASOR é um número complexo usado para representar a amplitude e o ângulo de fase de uma senoide A relação entre uma senoide e um fasor é representada da seguinte forma Forma Polar Eixo real Eixo imaginário Domínio do Tempo Domínio da Freq NOCOES BASICAS DE CAPACITANCIA INDUTANCIA IMPEDANCIA E FASOR UNIDADE 0 Introdugao aos Circuitos Elétricos a ypyOnm O relacionamento tensaocorrente para um resistor como mostrado na figura abaixo é vt Rit Substituindo a tensao e corrente complexas nessa equacao temos VRI equacao algébrica Im V C es VRI a R Py Pi Re 16022022 INSTALACOES ELETRICAS Prof Leonardo Ribas MSc KAFAESA 24 NOCOES BASICAS DE CAPACITANCIA INDUTANCIA IMPEDANCIA E FASOR UNIDADE 0 Introdugao aos Circuitos Elétricos rte O relacionamento tensaocorrente para um indutor oo dit os como mostrado na figura abaixo é vt poe Substituindo a tensao e corrente complexas nessa equacao temos V JoLl equacao algébrica Im V 7 L N Py Pit90 4 V jowLl a v Pi Re 16022022 INSTALACOES ELETRICAS Prof Leonardo Ribas MSc ESFAESA 25 NOCOES BASICAS DE CAPACITANCIA INDUTANCIA IMPEDANCIA E FASOR UNIDADE 0 Introdugao aos Circuitos Elétricos ONT NNOl O relacionamento tensaocorrente para um capacitor dvt woos como mostrado na figura abaixo éit cee Substituindo a tensao e corrente complexas nessa equacao temos JCVv equacao algébrica Im I Pi Py 90 uv I jwCVv C av Pv Re 16022022 INSTALACOES ELETRICAS Prof Leonardo Ribas MSc ESFAESA 26 NOCOES BASICAS DE CAPACITANCIA INDUTANCIA IMPEDANCIA E FASOR UNIDADE 0 Introdugao aos Circuitos Elétricos IMPEDANCIA E a razdo entre o fasor da tensdo V e o fasor da corrente Tratase de um numero complexo que representa uma resistncia a passagem da corrente AC pelos elementos passivos de um circuito elétrico V Representacao 7 RiX Z 7 ohms Lz tJ X 7 R2 X2 e o7 tan 5 7 Simbologia ELEMENTO IMPEDANCIA Resistor R R Indutor L joL X ol 1 1 Capacitor C jo Xc Te 16022022 INSTALACOES ELETRICAS Prof Leonardo Ribas MSc ESFAESA 27 NOCOES BASICAS DE CAPACITANCIA INDUTANCIA IMPEDANCIA E FASOR UNIDADE 0 Introdugao aos Circuitos Elétricos ADMITANCIA E a razao entre o fasor da corrente e o fasor da tensao V Trata se de um numero complexo que representa o inverso da impedancia Z E analoga a conduntancia em circuitos resistivos y 1 si slemens Z YV Representacao PASSIVO Y NN 7 Y Py GtjJB Resistor R a G 1 Y G2 B Indutor L B B JoL wL Py tan G Capacitor C Joc Be aCl 16022022 INSTALACOES ELETRICAS Prof Leonardo Ribas MSc KAFAESA 28 16022022 29 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc NOÇÕES BÁSICAS DE CAPACITÂNCIA INDUTÂNCIA IMPEDÂNCIA E FASOR UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos CIRCUITO RC série A associação série de um resistor com um capacitor possibilita uma diversidade de aplicações tanto no ramo da eletrônica quanto da elétrica Tal associação tem seu uso mais comum no desacoplamento de sinais da tensão cc e em filtros passaalta Aplicações específicas utilizando respostas lineares de frequência e geração de fluxo reativo também são possíveis nesse circuito 16022022 30 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc NOÇÕES BÁSICAS DE CAPACITÂNCIA INDUTÂNCIA IMPEDÂNCIA E FASOR UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos CIRCUITO RC série 16022022 31 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc NOÇÕES BÁSICAS DE CAPACITÂNCIA INDUTÂNCIA IMPEDÂNCIA E FASOR UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos CIRCUITO RC Figura a Tensão e corrente no Resistor b Tensão e corrente no Capacitor Efeito do Fator de potência 16022022 32 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc NOÇÕES BÁSICAS DE CAPACITÂNCIA INDUTÂNCIA IMPEDÂNCIA E FASOR UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos CIRCUITO RL paralelo Figura a Tensão e corrente no Resistor b Tensão e corrente no Capacitor Semelhantemente às associações de circuitos RLSérie as associações em paralelo têm muitas aplicações nas áreas de elétrica e eletrônica sendo utilizadas em filtros de frequência passaalta Nessa associação a resistência ôhmica da bobina ganha significado sendo seu efeito abordado neste capítulo na análise do circuito Circuito Ideal Circuito Real 16022022 33 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc NOÇÕES BÁSICAS DE CAPACITÂNCIA INDUTÂNCIA IMPEDÂNCIA E FASOR UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos CIRCUITO RLC série A associaçãosérie de dois elementos reativos como indutor e capacitor tem como efeito um comportamento quadrático na frequência que se manifesta na curva de impedância do circuito apresentando um mesmo valor de impedância para dois distintos valores de frequência Nessas circunstâncias o circuito RLCSérie apresenta dois aspectos reativos divididos em sua curva de resposta em que um deles pode prevalecer sobre o outro dependendo da frequência em que o circuito está operando Encontra vastas aplicações em telecomunicações principalmente na recepção de sinais de rádio TV dados e telefonia 16022022 34 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc NOÇÕES BÁSICAS DE CAPACITÂNCIA INDUTÂNCIA IMPEDÂNCIA E FASOR UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos CIRCUITO RLC série a Circuito RLCsérie b Tensões CA do RLCsérie c Tensão total 16022022 INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS ELÉTRICOS Noções básicas do Sistema Elétrico de Potência Lei de Ohm Análise de Circuitos em Regime Permanente Senoidal Noções básicas de Capacitância Indutância Impedância e Fasores Potência Energia e Fator de Potência Circuitos Trifásicos UNIDADE 0 16022022 36 DEFINIÇÃO LITERAL DE ENERGIA Energia é definida como sendo a capacidade de realizar trabalho Trabalho por sua vez é o resultado de força sobre o deslocamento de um corpo A energia pode ser Cinética Gravitacional Elétrica Química Térmica Radiante Nuclear Potência Energia e Fator de Potência UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc 16022022 37 ENERGIA ELÉTRICA é a capacidade que uma corrente elétrica tem para realizar trabalho Principais Fontes ITAIPU BINACIONAL Brasil Paraguai Capacidade Instalada 14GW COMPL EÓLICO MORRINHOS Campo Formoso BA Capacidade Instalada 180MW Quantidade de Trabalho figura 2 fonte de energia Eólica figura 1 fonte de energia Hidráulica Potência Energia e Fator de Potência UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc 16022022 38 Principais Fontes continuação PARQUE SOLAR LAPA Bom Jesus da Lapa BA Capacidade Instalada 158MW IVANPAH SOLAR POWER FACILITY Deserto de Mojave Califórnia Capacidade Instalada 392MW figura 3 fonte de energia solar figura 4 fonte de energia solar térmica Potência Energia e Fator de Potência UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc Potencia Energia e Fator de Poteéncia UNIDADE 0 Introducao aos Circuitos Eletricos CALCULO DA ENERGIA ELETRICA Para calcular a energia elétrica usamos a seguinte equacado onde Representa o E energia elétrica Wh valor médio P Poténcia elétrica W At variacao do tempoh Poténcia eletrica uma grandeza fisica que mede a quantidade de trabalho realizado em um determinado periodo de tempo ou seja é a taxa de transferéncia da energia eletrica 16022022 INSTALACOES ELETRICAS Prof Leonardo Ribas MSc KAFAESA 39 16022022 40 POTÊNCIA ELÉTRICA Potência Energia e Fator de Potência UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc Potencia Energia e Fator de Poteéncia UNIDADE 0 Introducao aos Circuitos Eletricos Dado que 0 consumo médio de um escrit6rio seja igual a 350kWh por més e que ele funcione 8 horas por dia uteis ache a poténcia média nesse escritorio At 8 22 dias 176 horas P 26 OO 4 oonw 8x ias oras P 1 At 176h Calcule o valor a ser pago pelo proprietario do escritorio referente a energia elétrica consumida Dado valor da tarifa EDP ESCELSA R 5622MWh R Custo E tarifa 350kWh 05622 ma R 19677 16022022 INSTALACOES ELETRICAS Prof Leonardo Ribas MSc KAFAESA 41 16022022 42 MEDIDORES DE ENERGIA MAIS UTILIZADOS PELAS CONCESSIONÁRIAS DE ENERGIA ELÉTRICA figura 5 medidor de energia analógico figura 6 medidor de energia digital Potência Energia e Fator de Potência UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc 16022022 43 Potência Energia e Fator de Potência UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc POTÊNCIA COMPLEXA 16022022 INTRODUÇÃO AOS CIRCUITOS ELÉTRICOS Noções básicas do Sistema Elétrico de Potência Lei de Ohm Análise de Circuitos em Regime Permanente Senoidal Noções básicas de Capacitância Indutância Impedância e Fasores Potência Energia e Fator de Potência Circuitos Trifásicos UNIDADE 0 16022022 45 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc Perspectiva prática Rede MT Trifásica Rede BT Trifásica Rede BT Trifásica Rede BT Trifásica Rede MT Trifásica Trifásico Bifásico Monofásico Circuitos Trifásicos UNIDADE 0 Introdução aos Circuitos Elétricos Circultos Trifasicos UNIDADE 0 Introducao aos Circuitos Eletricos MODELO GERAL DO GERADOR TRIFASICO LIGACAO Y A Linha c I Vin Tensao de fase Von Van hs 120 a Cc 120 Ne Neuttro Van A my el t 120 a e Ph Ven B Linha Ven I B Linha Figura 3 Diagrama fasorial das tensées trifasicas I Figura 4 Esquema de ligacao trifasica em estrela Y 16022022 INSTALACOES ELETRICAS Prof Leonardo Ribas MSc ESFAESA 46 CENTRO UNIVERSITARIO 16022022 47 DÚVIDAS SOBRE A UNIDADE 0 INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Prof Leonardo Ribas MSc