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Centro Universitário do Leste de Minas Gerais i UNILESTEMG

Autor: Prof. Rodrigo de Cássio Corrêa Campos IMPRIME ISTO P!

Centro Universitário do Leste de Minas Gerais i UNILESTEMG

1. INTRODUÇÃO1-1
1.1. USINAS DE ELETRICIDADE1-1
1.2. TRANSMISSÃO DE ELETRICIDADE1-4
1.3. DISTRIBUIÇÃO1-6
2. ELETRICIDADE BÁSICA2-9
2.1. PREFIXOS COMUMENTE USADOS2-9
2.2. ANALOGIA SISTEMA HIDRAULICO X SISTEMA ELÉTRICO2-10
2.3. AS GRANDEZAS ELÉTRICAS2-12
2.3.1. Corrente Elétrica2-12
2.3.2. Tensão2-12
2.3.3. Resistência Elétrica2-13
2.3.4. Fontes2-13
2.4. LEIS DE OHM2-15
2.4.1. Primeira lei de Ohm2-15
2.4.2. Segunda lei de Ohm2-16
2.5. ASSOCIAÇÃO DE RESISTORES2-17
2.5.1. Associação Série2-17
2.5.2. Associação Paralela2-18
2.5.3. Associação Mista2-20
2.6. ENERGIA - TRABALHO2-24
2.7. POTÊNCIA2-24
2.7.1. Potência em sistemas elétricos2-24
2.8. LEIS DE KIRCHHOFF2-25
2.8.1. Leis das voltagens de Kirchhoff2-26
2.8.2. Lei das correntes de Kirchhoff2-29
3. MAGNETISMO E ELETROMAGNETISMO3-32
3.1. MAGNETISMO3-35
3.1.1. Ímã3-35
3.1.2. Ímãs Elementares3-37
3.1.3. Campo magnético3-38
3.1.4. Linhas de um Campo magnético3-39
3.1.5. Fluxo de força ou de indução3-39
3.2. ELETROMAGNETISMO3-40
3.2.1. Campo magnético produzido por corrente elétrica3-40
3.2.2. Espira3-41
3.2.3. Solenóide3-42
3.2.4. Indução magnética3-43
3.2.5. Permeabilidade Magnética3-4
3.2.6. Propriedades magnéticas dos materiais ferromagnéticos3-4
3.2.7. Histerese Magnética3-45
3.2.8. Força produzida por campo magnético e correntes retilíneas3-46
3.2.9. Torque sobre espira retangular3-47
3.2.10. Regras práticas para determinar o sentido das forças eletromagnéticas3-49
3.2.1. Lei de Faraday3-50
3.2.12. Lei de Lenz3-52
3.3. GERADOR ELEMENTAR3-53
4. SISTEMAS ELÉTRICOS C.A4-56
4.2. ELEMENTOS DO CIRCUITO C.A4-58
4.2.1. Resistência (R)4-58
4.2.2. Indutância (L)4-59
4.2.3. Capacitância (C)4-60
4.2.4. Impedância (Z)4-61
4.2.5. Diagrama de Impedância4-62
4.2.6. Solução de circuitos em C.A4-63
4.3. POTÊNCIA NOS CIRCUITOS C.A4-65
4.3.1. Potência Aparente (S)4-65
4.3.2. Potência Ativa (P)4-65
4.3.3. Potência Reativa (Q)4-65
4.3.4. Fator de Potência (F.P)4-6
4.3.5. Triângulo de Potências4-6
4.3.6. Determinação de potência em circuitos C.A4-67
4.4. SISTEMAS POLIFÁSICOS4-70
4.4.1. Produção da tensão trifásica4-70
4.4.2. Sistema em triângulo e estrela4-71
4.4.3. Seqüência de fase4-74
4.4.4. Carga equilibrada ligada em ∆4-76
4.4.5. Carga equilibrada ligada em Y4-7
5. TRANSFORMADORES5-79
5.1. PASSO – A – PASSO5-79
6. MÁQUINAS ELÉTRICAS6-80
6.1. PASSO – A – PASSO6-80
7. ANEXO A – NÚMEROS COMPLEXOS7-81
7.1. POR QUE SABER?7-81
7.2. DEFINIÇÃO7-81
7.3. FORMAS DO NÚMERO COMPLEXO7-82
7.3.1. Forma retangular7-82
7.3.2. Forma polar7-82
7.3.3. Conversão7-83
7.3.4. Operação com números complexos7-83
8. ANEXO B - GLOSSÁRIO8-85

Centro Universitário do Leste de Minas Gerais 1-1 UNILESTEMG s princípios físicos nos asseguram que energia, de qualquer tipo, não pode ser obtida do nada. Assim, aquilo que conhecemos com o nome de energia elétrica, na realidade, é resultado da transformação de outras formas de energia que estão disponíveis na natureza.

Isso significa que a energia elétrica produzida pelas usinas, deve ser obtida a partir de alguma outra forma de energia que esteja disponível. O sol é um grande fornecedor de energia à terra, entregando-lhe luz e calor que podem dar origem a muitos processos que acabam tornando disponível esta energia de outras formas.

O primeiro tipo de energia, que nos interessa em especial, é a das correntes de água, que aparecem em nosso planeta justamente devido a à evaporação (pelo calor do sol) e condensação em locais altos na forma de chuva, dando origem aos raios.

Se um certo volume de água apresenta um certo desnível em relação a um determinado ponto, este volume tem energia potencial mecânica e pode ser transformada quando houver o seu escoamento. Assim, podemos aproveitar os grandes volumes de água que estejam em condições de escoar (caso haja um desnível para esta finalidade), para gerar energia elétrica. As usinas hidrelétricas fazem justamente isso (ver fig. 1-01). A água é represada de modo a se definir melhor um desnível, e depois canalizada para turbinas que convertem a energia disponível em eletricidade. Esta eletricidade pode, então, ser enviada aos centros de consumo por meio de fios condutores. Evidentemente, o melhor aproveitamento da força da água exige que haja ao mesmo tempo volume e desnível. É por esse motivo que a Amazônia, apesar de ter os maiores rios do mundo, não apresenta um potencial gerador de energia muito alto. Os rios são todos de planície, ou seja, correm "muito baixos", não havendo desníveis que permitam a construção das represas e a movimentação das turbinas.

Para os casos em que não se dispõe da energia dos rios, entretanto, existem alternativas como as usinas termoelétricas. Nestas usinas queima-se algum tipo de combustível como, por exemplo, o óleo ou carvão de modo a produzir calor, que aquece a água e se transforma em vapor sob pressão. Este vapor é usado para movimentar as turbinas que geram eletricidade, veja figura 1-02.

Em princípio, a energia dos combustíveis fósseis e mesmo naturais como o óleo, o carvão vegetal ou mineral é obtido a partir do sol. Nos vegetais, é por meio da fotossíntese que as substâncias orgânicas que dão origem aos vegetais são produzidas, o mesmo ocorrendo em relação o óleo.

1 1. Introdução O

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Figura 1-01 – A produção de energia elétrica depende do volume e do desnível da água

Além dos dois tipos de usinas vistos anteriormente, existem também as usinas atômicas que, além de operarem segundo um princípio completamente diferente, também causam muitas discussões por motivos de segurança. Na figura 1-03 temos uma usina atômica esquematizada de maneira bastante simples. Nestas usinas existe um tanque onde são colocadas substâncias radioativas. Estas substâncias se desintegram gradualmente liberando grande quantidade de energia. O urânio é um exemplo de substância radioativa. Em contato com a água do tanque, a energia liberada pelo material radioativo a aquece, a ponto de elevar sua temperatura acima do ponto de ebulição. No entanto, a água não ferve porque é mantida sob pressão (como ocorre numa panela de pressão, em que se obtém uma ebulição acima dos 100 graus Celsius, porque ela é mantida fechada). Essa água superaquecida entra em contato, por meio de canalizações, com a água de um segundo tanque que então se aquece a ponto de ferver. Esta sim, produz, vapor usado para movimentar as turbinas.

Figura 1-02 - Esquema simplificado de usina termoelétrica

A água que entra em contato com substâncias radioativas tem um sério problema: ela também se torna radioativa, o que significa que, se ela escapar, existe o perigo de

Centro Universitário do Leste de Minas Gerais 1-3 UNILESTEMG contaminação do meio ambiente. Assim, a maior preocupação dessas usinas é evitar o vazamento deste vapor que contato com material radioativo, já que o outro que movimenta a turbina é inofensivo. Uma pequena quantidade de material radioativo pode produzir energia em grande quantidade durante anos.

As três formas de geração de energia que foram vistas são usadas na maioria dos paises, inclusive no Brasil, pois permitem obter grandes quantidades de eletricidade.

Existem alternativas que podem ser usadas quando se deseja menos energia ou ainda quando em condições favoráveis de obtenção.

Figura 1-03 - Esquema simplificado de usina atômica

Na Islândia, por exemplo, que é um país de muitos vulcões, existem fontes de onde brota água fervente, que é usada em alguns casos para produzir vapor que movimenta turbinas geradoras de eletricidade. Em localidades isoladas ou fazendas, o gerador que produz eletricidade é movimentado por um motor a óleo diesel ou outro combustível, formando assim os "grupos geradores" conforme ilustra figura 1-04.

Figura 1-04 - Esquema simplificado de usina termoelétrica

Estudos feitos em alguns países, como a Holanda, já levam em consideração o aproveitamento da energia das marés. Uma grande enseada seria represada. Quando a maré subisse a água forçaria sua entrada, em movimentando as turbinas num sentido e quando a maré baixasse, o movimento da água movimentaria a turbina no sentido oposto, conforme figura 1-05. Como as marés são provocadas pela atração gravitacional da lua, estaríamos consumindo, mesmo que indiretamente, "energia lunar" para gerar eletricidade nestas usinas.

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Figura 1-05 – Aproveitamento da força das marés para gerar energia elétrica

O vento também é usado para gerar eletricidade por meio de grandes geradores denominados "eólicos".

1.2. Transmissão de eletricidade

A energia gerada pelas usinas não está numa forma apropriada para consumo. Para que ocorram poucas perdas na transmissão por longas distâncias, no local em que a usina produz a energia, ela é transformada, ou seja, sua tensão é modificada. A tensão enviada da usina até os centros de consumo é muito alta. Existem linhas de transmissão de energia, dependendo da região, que operam entre 69.000V a 750.000V. Estas tensões são extremamente perigosas: se fosse levada diretamente até nossa casa, não precisaríamos sequer tocar nos fios para levar choques mortais. A simples aproximação de um fio com tais tensões faria com que saltassem faíscas, fulminando-nos instantaneamente. Assim a energia para chegar até nossa casa, passa por uma série de

Centro Universitário do Leste de Minas Gerais 1-5 UNILESTEMG transformações, entrado em ação dispositivos que, justamente por sua função, são denominados transformadores.

Na figura 1-06, apresenta-se o processo pelo qual a energia passa até chegar nas subestação redutora para distribuição. Partindo da usina em que a energia é gerada, ela passa por um primeiro transformador que eleva sua tensão para um valor da ordem de dezenas de milhares de volts. A energia que vem de Itaipu para São Paulo, por exemplo, está na forma de uma tensão de 750.000V.

Figura 1-06 – Caminho da energia desde a geração até a subestação redutora para distribuição.

Perto do centro de consumo, a energia sofre uma transformação no sentido de abaixar sua tensão para um valor menor e mais apropriado. Normalmente, a tensão usada neste caso é da ordem de 13.600V. Mesmo os 13.600V são um valor muito alto para residências, portanto, temos nos postes transformadores que fazem o "abaixamento final" da tensão de modo que ela possa ser usada de maneira mais segura nas residências. Estes transformadores fornecem tensões de 110V a 220V que são levadas até os locais de consumo.

Industrias apresentam suas próprias sub-estações de energia elétrica, onde a distribuição é feita para todo o processo que geralmente usam tensões de 110, 220, 380 ou 440V, este valores podem ser aumentados dependendo do processo. Na grande maioria as industrias de médio para grande, recebem uma tensão na ordem de 13.600V, mas dependendo do contrato com a Concessionária de Energia este valor pode ser na ordem de 64.000V, tornando assim o valor do energia contratada menor.

Nas figuras 1-07, apresenta alguns tipos de torres de transmissão mais usados.

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Figura 1-07 – Torres de transmissão mais utilizadas.

Uma rede de distribuição deve fazer a energia chegar até os consumidores de forma mais eficiente possível.

Conforme tópico anterior, quanto mais alta a tensão menor a bitola dos condutores para transmitir a mesma potência. Assim, redes de distribuição em geral operam com, no

Centro Universitário do Leste de Minas Gerais 1-7 UNILESTEMG mínimo, duas tensões. As mais altas para os consumidores de maior porte e as mais baixas para os pequenos.

A Figura 1-08 mostra o esquema simplificado de uma distribuição típica. A subestação redutora diminui a tensão da linha de transmissão para 13,8 kV, chamada distribuição primária, que é o padrão geralmente usado nos centros urbanos no Brasil. São aqueles 3 fios que se vê normalmente no topo dos postes. Essa tensão primária é fornecida aos consumidores de maior porte os quais, por sua vez, dispõem de suas próprias subestações para rebaixar a tensão ao nível de alimentação dos seus equipamentos.

Figura 1-08 – Esquema simplificado da distribuição.

A tensão primária também alimenta aqueles transformadores localizados nos postes que reduzem a tensão ao nível de ligação de aparelhos elétricos comuns (127/220 V), para consumidores de pequeno porte. É a chamada distribuição secundária.

A rede é formada pelos quatro fios (separados e sem isolação ou juntos e com isolação) que se observam na parte intermediária dos postes.

É evidente que uma distribuição simples assim é típica de uma cidade de pequeno porte. Cidades maiores podem ser supridas com várias linhas de transmissão, dispondo de várias subestações redutoras e estas podem conter múltiplos transformadores, formando assim várias redes de distribuição. Também pode haver várias tensões de distribuição primária. Indústrias de grande porte, consumidoras intensivas de energia elétrica, em geral são supridas com tensões bastante altas, às vezes a da própria transmissão, para evitar altos custos da rede.

Centro Universitário do Leste de Minas Gerais 1-8 UNILESTEMG Figura 1-09 – Diagrama de distribuição de energia

Centro Universitário do Leste de Minas Gerais 2-9 UNILESTEMG pesar da eletricidade básica não ser o foco principal deste curso, iremos fazer uma breve revisão de alguns conceitos que serão importantes no decorrer da disciplinas, onde será revisto o que é tensão, corrente elétrica, resistência, lei de ohm, associação de resistores (série, paralela e mista), as leis de Kirchhoff, potência elétrica, entre outros conceitos que se farão necessários para o completo entendimento da eletrotécnica.

2.1. Prefixos comumente usados

diz: - “Comprei 10 quilogramas” quilo é um prefixo, que equivale a 103 , ou 1000,

De um modo geral, as pessoas no dia a dia, mesmo não se dando conta, já fazem uso dos ”prefixos” para indicar um valor qualquer de um valor. Isto é também feito na área de Eletônica, como em outras áreas, de uma maneira em geral. Então quando alguém conforme quadro abaixo.

No quadro abaixo é portanto apresentado um conjunto (os que serão mais usados) de prefixos que no dia a dia será usado.

O uso de prefixos facilita a expressão de valores ou muito pequenos ou elevados. Por exemplo: imagine que se fosse expressar a distância entre Rio e São Paulo: 429 km. Se não fosse usado o prefixo k (kilo = 1000), esta distância seria expressa da seguinte forma: 429.0 m. Perceba então a vantagem de se usar “prefixos” para expressar valores. No caso foi usado um prefixo para indicar um múltiplo da unidade básica ( o metro ). Imagine o peso de um cordão de ouro: 50 g. Não seria adequado expressar este valor com o prefixo Kilo . Isto é 0,05 kg.

Tabela 2-01 – Prefixos comumente usados

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