Resumo Slide - Introdução a Engenharia Elétrica

INTRODUÇÃO

A maioria dos materiais é eletricamente neutra, ou seja, não apresenta efeitos elétricos. Porém teremos a oportunidade de verificar que existem meios de carregar eletricamente um corpo tornando-o eletrizado. No nosso cotidiano convivemos com vários fatos reais que comprovam a existência da eletricidade estática. Em dias secos, por exemplo, nosso corpo pode ficar carregado eletricamente ao caminharmos sobre um tapete. Em dias assim, também é comum nossos cabelos ficarem eletrizados ao nos pentearmos.

CARGA ELÉTRICA

A carga elétrica é uma propriedade das partículas elementares que constituem um átomo. Existem dois tipos de cargas elétricas:

“Um próton ou um elétron tem uma carga elétrica igual a 1,6 . 10-19 coulomb”.

PRINCÍPIO DA ATRAÇÃO E REPULSÃO

“Cargas elétricas de mesmo sinal (tipo) se repelem e cargas elétricas de sinais diferentes se atraem”.

PRINCÍPIO DA CONSERVAÇÃO DAS CARGAS ELÉTRICAS

“Num sistema eletricamente isolado, a soma algébrica das cargas positivas e negativas é constante”.

“As cargas elétricas não podem ser criadas nem destruídas”.

CORPOS CONDUTORES E ISOLANTES

Condutores - São aqueles que apresentam cargas elétricas móveis em sua estrutura. Quando se eletriza uma região de um condutor, a carga em excesso se espalha por todo o corpo. É o caso dos metais, do corpo humano e do solo. Nos condutores metálicos, os elétrons mais afastados do núcleo estão fracamente ligados ao mesmo e, quando sujeitos a força, mesmo de pequena intensidade, abandonam o átomo e movem-se pelos espaços interatômicos, estes são os elétrons livres responsáveis pela condução de eletricidade nos metais.

Isolantes - são aqueles que não apresentam cargas elétricas móveis em sua estrutura. Nestes materiais os elétrons estão fortemente ligados aos respectivos núcleos.

Exemplos: vidro, mica, ebonite, borracha, plástico, etc.

“O que determina se um corpo se tornará condutor ou isolante será sua resistência elétrica”.

CORPOS ELETRIZADOS

Normalmente, os átomos que constituem um corpo apresentam mesmo número de prótons e elétrons. Neste caso é considerado eletricamente neutro. Se acrescentarmos ou retirarmos elétrons dos átomos, o corpo ficará eletrizado:

• positivamente (quando se retiram elétrons)

• negativamente (quando se acrescentam elétrons)

PROCESSOS DE ELETRIZAÇÃO

a) Por atrito: quando duas substâncias de natureza diferente são atritados, uma delas transfere elétrons para outra, ficando uma eletrizada positivamente e a outra eletrizada negativamente.

b) Por contato: através de contato, um corpo eletrizado poderá transferir cargas em excesso para outro eletricamente neutro, ficando ambos eletrizados.

c) Por indução: a presença de um corpo eletrizado (indutor) próximo a um condutor eletricamente neutro, faz com que ocorra no segundo uma separação de cargas positivas e negativas. Ligando-o a terra, as cargas de mesmo sinal que as do indutor são neutralizadas. Desfazendo-se a ligação, o corpo fica com excesso de cargas de sinal contrário as do indutor.

Efeitos da corrente elétrica no corpo humano

A corrente elétrica é um fenômeno que pode levar um ser humano à morte. Quando se estabelece uma diferença de potencial entre dois pontos do corpo humano, flui uma corrente elétrica entre esses pontos e a intensidade dessa corrente depende da diferença de potencial e da resistência elétrica entre os pontos sobre o qual se aplica a voltage

m, por exemplo: a resistência elétrica entre as orelhas é aproximadamente igual a 100 Ω.

A sensação de choque elétrico surge com correntes elétricas de intensidades superiores a 1 mA. Com correntes superiores a 10 mA os músculos se contraem, o que dificulta, por exemplo, o pulo (salto). Correntes próximas de 20 mA tornam difícil a respiração, podendo cessar com correntes que chegam a 80 mA. As correntes elétricas que chegam a matar são aquelas cuja intensidade está compreendida na faixa entre 100 e 200 mA. Próximo dos 100 mA as paredes do coração executam movimentos descontrolados, isso é chamado de fibrilação. As correntes que chegam a ultrapassar os 200 mA não são tão perigosas quanto as de 100 mA, pois as contrações musculares do coração são tão violentas que o coração fica paralisado, fato esse que acaba aumentando a possibilidade de sobrevivência de um ser humano.

Ao contrário do que muitos pensam, as correntes elétricas mais perigosas são aquelas que têm intensidades relativamente mais baixas, podendo ser obtidas em eletrodomésticos comuns que funcionam a 110 V e 220 V. Correntes mais intensas podem provocar desmaios e fortes queimaduras, porém não chegam a matar de imediato. O socorro a uma vítima de choque elétrico deve ser rápido, começando pelo corte da tensão elétrica, caso não seja possível cessar a mesma deve-se retirar a pessoa do local com um material que seja isolante como, por exemplo, materiais plásticos. Feito isso é necessário chamar os bombeiros, que são pessoas altamente preparadas para esse tipo de socorro.

Corrente contínua e alternada

Se considerarmos um gráfico i x t (intensidade de corrente elétrica por tempo), podemos classificar a corrente conforme a curva encontrada, ou seja:

Corrente contínua

Uma corrente é considerada contínua quando não altera seu sentido, ou seja, é sempre positiva ou sempre negativa.

A maior parte dos circuitos eletrônicos trabalha com corrente contínua, embora nem todas tenham o mesmo "rendimento", quanto à sua curva no gráfico i x t, a corrente contínua pode ser classificada por:

Corrente contínua constante

Diz-se que uma corrente contínua é constante, se seu gráfico for dado por um segmento de reta constante, ou seja, não variável. Este tipo de corrente é comumente encontrado em pilhas e baterias.

Corrente contínua pulsante

Embora não altere seu sentido as correntes contínuas pulsantes passam periodicamente por variações, não sendo necessariamente constantes entre duas medidas em diferentes intervalos de tempo.

A ilustração do gráfico acima é um exemplo de corrente contínua constante.

Esta forma de corrente é geralmente encontrada em circuitos retificadores de corrente alternada.

Corrente alternada

Dependendo da forma como é gerada a corrente, esta é invertida periodicamente, ou seja, ora é positiva e ora é negativa, fazendo com que os elétrons executem um movimento de vai-e-vem.

Este tipo de corrente é o que encontramos quando medimos a corrente encontrada na rede elétrica residencial, ou seja, a corrente medida nas tomada de nossa casa.

Até bem pouco tempo, para que tivéssemos uma rede de energia elétrica em sistema trifásico ela deveria ser obtida a partir da geração, ou seja, era necessário que tivéssemos um gerador trifásico. Com os recentes avanços no campo dos componentes de chaveamento para eletrônica de potência tornou-se possível a conversão de potentes linhas de transmissão em corrente continua de elevadas tensões para corrente alternada trifásica.

O Brasil é um dos expoentes mundiais neste tipo de tecnologia aplicada ao “linhão” de C de ITAIPU, que pertence à concessionária FURNAS - Centrais Elétricas S.A., o qual tem seu ponto de inicio na Subestação de FOZ DO IGUAÇU, onde a energia excedente do Paraguai, em CA senoidal de 50Hz é retificada, sendo então transmitida em C.C., de 600 KV, percorrendo centenas de quilômetros, até chegar na subestação de IBIUNA-SP, onde é reconvertida para C.A. trifásica. O sistema de reconversão é composto de 24 válvulas conversoras com 15 metros de altura e 384 tiristores de alta potência cada uma e mais um total de 600 Km de fibras ópticas para conduzir os sinais de disparo dos tiristores. Após a reconversão, a energia é injetada no Sistema Sudoeste. As válvulas conversoras são bidirecionais, ou seja, podem tanto receber C e liberar C.A. como receber CA e liberar C.

Geração de Energia Elétrica CA Trifásica:

Muito embora os geradores de eletricidade possam produzir tanto energia em corrente contínua (C) ou corrente alternada (CA), a maior parte da energia elétrica gerada não só no Brasil, mas em todo o mundo é em corrente alternada no sistema trifásico, na freqüência de 60 Hz.

Isto ocorre, pois a corrente alternada, permite elevar ou diminuir os valores de tensão de uma forma muito mais simples e barata, se comparado com os sistemas disponíveis para C.

Isto é feito por meio de transformadores. Além disso, a corrente alternada facilita bastante em vários aspectos da transmissão e distribuição de energia elétrica desde a usina geradora até os consumidores.

Nesse sistema, utiliza-se um gerador de CA que funciona pelo princípio de indução eletromagnética. A indução eletromagnética se dá por duas maneiras:

• Espiras girando em um campo magnético estacionário;

• Espiras fixas em um campo magnético variável

Na prática o segundo caso é mais usado, assim, desde de 1887 quando a empresa norte-americana Westinghouse comprou a patente do gerador CA trifásico de seu inventor, o cientista húngaro Nikolas Tesla, este equipamento é constituído por:

Um indutor alimentado por corrente contínua que gera um campo magnético de intensidade de fluxo constante, mas que é forçado a girar em torno de seu centro com velocidade constante. No caso dos geradores de hidroelétrica, a força do fluxo de água nas pás da turbina é que força o rotor a girar e a velocidade constante é obtida por um controle da vazão da água.

Ligações em um Sistema Trifásico:

Como já vimos, a energia elétrica é gerada industrialmente em corrente alternada no sistema trifásico por meio de geradores trifásicos constituídos por três bobinas dispostas geometricamente de tal forma que as tensões induzidas ficam defasadas 120º. As três fases são independentes entre si e geram formas de onda também defasadas 120º.

As três bobinas do gerador produzem três tensões CA monofásicas. Teoricamente, para transportar essas três tensões CA monofásicas até os consumidores, seriam necessários seis condutores:

Na prática, porém, é possível diminuir esse número de condutores para apenas três ou quatro. Para isso, o gerador pode ser ligado de duas formas diferentes:

• Por meio da ligação em estrela, representada simbolicamente pela letra Y;

• Por meio da ligação em triângulo (ou delta), representada pela letra grega Δ (delta).

Ligação em estrela:

Tem-se uma ligação em estrela quando, respeitando-se o sentido de enrolamento das bobinas de geração, uma das extremidades de cada uma delas é ligada em um ponto em comum. Esse ponto comum é denominado neutro e a ligação para as cargas poderá ser feita com condutor do neutro presente (a quatro fios) ou sem o condutor do neutro (a três fios).

A ligação em estrela que utiliza o condutor neutro recebe também o nome “sistema a quatro fios”. Nesse tipo de ligação, os três fios por onde retornam as correntes são reunidos para formar um só condutor ou fio neutro. Esse condutor recolhe todas as correntes das três cargas e as conduz ao ponto comum das bobinas de geração.

A figura que segue mostra a representação esquemática desse tipo de ligação.

Observe um pequeno circulo preto assinalado na extremidade de cada símbolo de enrolamento. Ele indica início de enrolamento em cada bobina.

A tensão entre as duas extremidades de cada bobina é chamada de tensão de fase (VF). Veja a localização das tensões de fase na representação esquemática anterior.

Cada uma das três fases de um sistema trifásico será denominada neste capítulo, respectivamente pelas letras R, S e T. Fazendo um trocadilho podemos dizer:

Rede de

Sistema

Trifásico

A tensão entre duas fases (seja entre a fase

R e a fase S ou entre a fase S e a fase T ou ainda entre a fase T e a fase R) é chamada de tensão de linha (VL).

É normal a utilização das letras U, V e W para designição simbólica das três fases de um sistema CA trifásico.

Um fato interessante de se notar é que em um sistema trifásico o qual esteja devidamente balanceado, ou seja, com o formato e valor de pico da CA das três fases iguais entre si, para qualquer instante, a somatória das três tensões será equivalente a zero. Isso acontece porque quando a tensão na fase R assume seu valor máximo positivo, ao mesmo tempo ambas as tensões nas fases S e T apresentam um valor negativo equivalente à metade do valor máximo. Assim, matematicamente, esses valores se anulam.

Isso significa que a soma das correntes de cada carga, num sistema de cargas balanceadas é nula no fio neutro. Por esse motivo, ele pode ser retirado. Dessa remoção, resulta uma ligação em estrela, mas sem o condutor neutro. Esta ligação também é denominada de “sistema a três fios”.

Mas para que isso de fato possa ser verdade, tanto as tensões como as cargas devem estar efetivamente balanceadas. Veja a representação esquemática desse tipo de ligação:

Tensão de fase e tensão de linha na ligação estrela:

O diagrama apresentado anteriormente representa o secundário de um transformador trifásico ligado em estrela, onde estão assinaladas as grandezas denominadas tensões de fase

(VFR, VFS e VFT) e tensões de linha (VL1, VL2 e VL3).

Tais grandezas são grandezas do tipo vetoriais, ou seja, que têm um módulo ou intensidade (que corresponde a medida do comprimento do raio no diagrama a seguir) e direção e sentido, que corresponde a posição angular (ângulo de fase). Sendo assim, tais grandezas podem ser geometricamente representadas em um diagrama de fasores. No diagrama a seguir representamos as tensões de fase:

Medição de Energia Elétrica

Medidores do tipo eletromecânica

O mais comumente utilizado devido a sua robustez e baixo custo, por isso representa cerca de 80 a 90% do mercado.

Medidores do tipo eletrônico

Atualmente representa uma pequena fatia do mercado, mas ganhou espaço pelas diversas funcionalidades agregadas à medição de energia elétrica como:

Medição multiparâmétrica;

Medição de potências instantâneas consumidas pela instalação, tensão e corrente, fator de potência, etc, simultaneamente