Eletricidade Aplicada

Desafio

A transmissão de energia elétrica é um problema bastante presente em todos os

segmentos da Engenharia . Desde a geração até a distribuição ao consumidor final, passando por transformadores, retificadores, entre outros, identificando as diversas funcionalidades.

Portanto, é essencial reconhecer e compreender os princípios da corrente alternada, dos circuitos monofásicos, o conceito de potência e fator de potência, bem como sua correção, identificação, ligação, partida e manutenção de geradores e motores de corrente alternada e de transformadores, sistemas trifásicos, potência em cargas trifásicas equilibradas e equipamentos de manobra, proteção e medição.

O objetivo desta ATPS é fazer com que você e sua equipe possam avaliar os sistemas de transmissão elétrica em nosso país, por meio de relatórios reflexivos, que deverão ser entregues ao final desta atividade.

Etapa 1

Aula-tema: Princípios de Corrente Alternada. Geração, Valores Médios e Eficazes.

Esta atividade é importante para que você conheça as principais diferenças entre as correntes alternadas e contínuas, mostrando as aplicações, vantagens e desvantagens quanto à adoção de cada modalidade. Para realizá-la, devem ser seguidos os passos descritos.

Passo 1

Pesquisar, em sites e livros, sobre as diferenças entre corrente alternada e corrente contínua, e quais são os geradores que podem dar esta funcionalidade à corrente elétrica.

A corrente elétrica é o movimento ordenado entre as cargas elétricas presentes em um condutor metálico.

Essa organização de movimento acontece quando se cria um campo elétrico dentro desse condutor, fazendo com que seus elétrons livres desenvolvam um movimento ordenado.

Esse termo, corrente elétrica, é originado de uma antiga concepção sobre a eletricidade ser um fluido capaz de se canalizar por condutores.

Sentido da corrente elétrica

Sentido Real: ocorre nos condutores sólidos, é o movimento dos elétrons e acontece do pólo negativo para o pólo positivo.

Sentido convencional: é o sentido da corrente elétrica que corresponde ao sentido do campo elétrico no interior do condutor, que vai do pólo positivo para o negativo.

OBS: O sentido convencional é sempre usado para análise da corrente elétrica.

Intensidade da Corrente

Representação Matemática:

i = intensidade da corrente

Q = carga elétrica

Δt = variação do tempo

Sua unidade no Sistema Internacional de Unidades é o Ampère (A)

Tipos de correntes elétricas:

• Corrente alternada

O nome aparece com as abreviaturas C.A. (de corrente alterna/alternada) ou A.C. (do inglês, alternating current).

Como o nome sugere, é o tipo de corrente que alterna constantemente de sentido. Nesta corrente não existem pólos, massim fases, pois os condutores variam continuamente de polaridade. Estas variações sucedem-se a uma determinada frequência que, no caso dos países europeus é de 50 vezes num segundo (50 Hz) e nos países americanos é de 60 vezes num segundo (60 Hz). Podemos encontrar este tipo de corrente nas nossas casas, nas centrais elétricas, nos alternadores dos automóveis, entre tantos outros.

Observe no desenho abaixo como se comporta uma fase em corrente alternada. Note a alternância da característica positiva e negativa.

• Corrente Contínua ou Corrente Galvânica

Aparece com as abreviaturas C.C. (de corrente contínua) ou D.C. (do inglês, direct current).

É a corrente que circula sempre num único sentido, daí o nome de contínua. Ou circula no sentido do pólo positivo para o pólo negativo, se considerarmos o sentido convencional da corrente, ou circula do pólo negativo para o pólo positivo, se considerarmos o sentido da corrente dos electrões. Este tipo de corrente é encontrada nos dispositivos que têm dois pólos: um pólo negativo e um pólo positivo. As pilhas e as baterias são os melhores exemplos onde é possível encontrar este tipo de corrente.

Passo 2

Montar um quadro explicativo sobre a freqüência de operação das diversas correntes contínuas entre vários países do mundo.

País – Voltagem – Freqüência

Austrália

240 V

50 Hz

Áustria

230 V

50 Hz

Bolívia

220/230 V

50 Hz

Brasil

110/220 V

60 Hz

Canadá

120 V

60 Hz

Chile

220 V

50 Hz

China

220 V

50 Hz

Colômbia

110 V

60 Hz

Cuba

110/220 V

60 Hz

Equador

120-127 V

60 Hz

Egito

220 V

50 Hz

França

230 V

50 Hz

Índia

230 V

50 Hz

Indonésia

127/230 V

50 Hz

Itália

230 V

50 Hz

Na maioria dos países da América, inclusive Brasil e EUA, a frequência da rede elétrica é de 60 Hz. Na Europa, inclusive em Portugal, é usada a frequência de 50 Hz. A frequência de 50 Hz também é usada em alguns países da América do Sul, como por exemplo a Argentina, a Bolívia, oChile e o Paraguai citados acima.

A corrente contínua tem uma faixa de utilização muito grande, pois todos os sistemas eletrônicos como computadores, rádios, telefones, etc funcionam com CC.

Passo 3

Listar as vantagens e desvantagens em utilizar as transmissões elétricas em corrente alternada.

Vantagens

O custo de uma linha de transmissão é essencialmente o peso dos cabos utilizados, compostos de alumínio, aço e ligas. O cabo também define essencialmente as perdas, que são proporcionais ao quadrado da corrente. O sistema em corrente alternada é trifásico, necessitando de três conjuntos de cabos. Para corrente contínua, necessita-se somente de dois conjuntos de cabos, um para cada pólo. Alternativamente pode-se usar somente um pólo, usando o terra como retorno.

Uma linha em corrente contínua pode interligar dois sistemas em corrente alternada, que podem estar fora de sincronismo ou em freqüências diferentes (veja por exemplo Itaipu). Estas linhas também aumentam a estabilidade do sistema, pelo desacoplamento entre sistemas, e pela possibilidade de controle do fluxo de potência. Este controle também permite o chaveamento suave, evitando o surgimento de transitórios indesejáveis.

Desvantagens

O uso de corrente contínua em um sistema de corrente alternada necessita de subestações conversoras, no qual convertem a energia entre os dois sistemas. Basicamente as conversoras são compostas por tiristores de alta potência, uma tecnologia cara em relação aos sistemas de corrente alternada.

Outro equipamento necessário para a conversão são os filtros, tanto nos lados de corrente contínua quanto o de alternada. Os filtros de corrente contínua permitem o alisamento da forma de onda, reduzindo o "ripple".

Apesar do sistema ser em corrente contínua, existe uma absorção de potência reativa de ambas as conversoras, devido à ação dos tiristores. Os filtros de corrente alternada são necessários para compensá-los.

Os sistemas atuais carecem de disjuntores específicos, devido a dificuldade de interromper altas correntes. O controle da corrente é realizado pelas subestações conversoras, através dos tiristores. Logo ainda não existem redes em CCAT, somente linhasinterligando dois pontos, ou sistemas multi-terminais que devem ser controlados como um todo.

As linhas de corrente contínua também apresentam peculiaridades: o campo elétrico é polarizado unidirecionalmente, ao contrário da corrente alternada, originando uma corrente iônica e o surgimento de cargas espaciais. 1

Passo 4

Consolidar os itens solicitados nos passos desta etapa com as conclusões obtidas pelo grupo, o que fará parte do Relatório 1, a ser entregue no final do bimestre, em data agendada pelo professor da disciplina, de acordo com o padrão definido.

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ETAPA 2

Aula-tema: Indutância, Reatância e Circuitos Indutivos.

Esta atividade é importante para que você compreenda o funcionamento dos motores.

A maioria dos motores elétricos opera pela interação entre campos eletromagnéticos, mas o foco desta etapa é explicar sobre motores baseados em outros fenômenos eletromecânicos, tais como forças eletrostáticas de correntes alternada e contínua. Para realizá-la, devem ser seguidos os passos descritos.

Passo 1

Detalhar sobre os motores de corrente contínua, mostrando seus elementos constituintes e funcionalidades.

Atualmente, o desenvolvimento das técnicas de acionamentos de corrente alternada (CA) e a viabilidade econômica têm favorecido a substituição dos motores de corrente contínua (CC) pelos motores de indução acionados por inversores de freqüência. Apesar disso, devido às suas características e vantagens, que serão analisadas adiante, o motor CC ainda se mostra a melhor opção em inúmeras aplicações

Motor elétrico é uma máquina destinada a converter energia elétrica em energia mecânica. É o mais utilizado de todos os motores elétricos, pois combina a facilidade de transporte, economia, baixo custo, limpeza e simplicidade de comando. São máquinas de fácil construção e fácil adaptação com qualquer tipo de carga.

As máquinas que atualmente conhecemos não produzem energia, elas convertem outros tipos de energia em energia mecânica para que possam funcionar. Um exemplo disso é o nosso querido e velho liquidificador. Ele converte a energia elétrica em energia mecânica para que possa processar os alimentos. Hoje, em face da grande necessidade de se poupar a camada de ozônio da emissão de gases poluentes, os motores elétricos estão sendo largamente utilizados em veículos automotores com o intuito de economizar energia e poupar o meio ambiente. Gases poluentes, como o dióxido de carbono que é liberado dos escapamentos de veículos automotores e das chaminés das fábricas, têm um grande poder de destruição na camada de ozônio.

O funcionamento dos motores elétricos está baseado nos princípios do eletromagnetismo, mediante os quais, condutores situados num campo magnético e atravessados por corrente elétrica, sofrem a ação de uma força mecânica, força essa chamada de torque.

Existem vários tipos de motores elétricos, dos quais os principais são os de corrente contínua e de corrente alternada. Os motores de corrente contínua são mais caros, pois é necessário um dispositivo que converte a corrente alternada em corrente contínua. Já os motores de corrente alternada são mais baratos e os mais utilizados, pois a energia elétrica é distribuída em forma de corrente alternada, reduzindo assim seu custo.

O motor de corrente contínua é composto de duas estruturas magnéticas:

• Estator (enrolamento de campo ou ímã permanente);

• Rotor (enrolamento de armadura).

O estator é composto de uma estrutura ferromagnética com pólos salientes aos quais são enroladas as bobinas que formam o campo, ou de um ímã permanente. A figura 1 mostra o desenho de um motor CC de 2 pólos com enrolamento de campo.

O rotor é um eletroímã constituído de um núcleo de ferro com enrolamentos em sua

superfície que são alimentados por um sistema mecânico de comutação (figura 2).

Fig. 1 –Desenho (a) e foto (b) de um motor CC de 2 pólos - Siemens LTDA

Unidade Automação e Controle – Acionamentos e Motores Elétricos

Fig. 3 – Princípio de funcionamento do motor CC

A figura acima é um desenho esquemático simples de um motor onde o estator é

constituído por ímãs permanentes e o rotor é uma bobina de fio de cobre esmaltado por onde

circula uma corrente elétrica. Uma vez que as correntes elétricas produzem campos magnéticos, essa bobina se comporta como um ímã permanente, com seus pólos N (norte) e S (sul).

Passo 2

Confrontar as características de motores de corrente contínua com as características dos motores de corrente alternada.

Apesar dos vários fatores positivos, os motores de corrente contínua estão caindo em desuso cada vez mais, pois devido a possuírem um comutador (vulgarmente chamado de coletor) no motor, necessitam de escovas de carvão para efetuar a conexão elétrica CC à Armadura do motor. Estas escovas de carvão sofrem desgaste constante e necessitam de substituição constante e, além disto, os resíduos provenientes do desgaste das escovas de carvão se acumulam no interior do motor, sendo necessário periodicamente o mesmo ser retirado e passar por manutenção preventiva.

Também necessitam de ventilação forçada em sua grande maioria devido ao fato de ocorrer a variação de velocidade pelo método de enfraquecimento de campo (este método gera um grande aquecimento no motor).

Excelentes motores de refrigeração devido à sua grande vazão de ar, estes motores apresentam problemas constantes de balanceamento, provocando vibrações que são transmitidas para o todo o sistema e também para o motor de corrente contínua prejudicando seu funcionamento.

Motor de corrente alternada. É o mais usado de todos os tipos de motores, pois combinam as vantagens da energia elétrica - baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando com sua construçãosimples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos: Motores Elétricos e a sua Importância, o acionamento de máquinas e equipamentos mecânicos por motores elétricos é um assunto de extraordinária importância econômica. No campo de acionamentos industriais, avalia-se que de 70 a 80% da energia elétrica consumida pelo conjunto de todas as indústrias seja transformada em energia mecânica através de motores elétricos.

Passo 3

Construir um mapa conceitual (organograma), com a definição do que é um diagrama fasorial, e elencar atributos e facilidades observadas nestes diagramas, explicitando como seria um diagrama fasorial para motores de corrente alternada.

Uma corrente alternada sofre alteração no seu valor e no seu sentido ao longo do tempo. Conforme ocorre essa alteração temos diversos tipos de corrente alternada.

O principal tipo de corrente alternada é a senoidal e nela podemos aplicar todos os conceitos que conhecemos de frequência, período, frequência angular e velocidade angular.

Para representar uma onda senoidal podemos utilizar um fasor. Um fasor é um vetor girante. Na imagem a abaixo temos a direita um diagrama fasorial e a esquerda a onda senoidal resultante.

O diagrama fasorial é muito utilizado na analise de circuitos de corrente alternada por permitir analisar tensão e corrente de forma fácil, permitindo, por exemplo, a análise da defasagem