apostila Eletricidade Aplicada

apostila Eletricidade Aplicada

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Eletricidade Aplicada - notas de aula

Carlos Kleber da Costa Arruda1 - Universidade Candido Mendes 13 de setembro de 2007

1carloskleber@gmail.com

Sumário

1.1 Eletricidade na prática3
1.2 Os caminhos da eletricidade6
1.4 Elementos armazenadores de energia1

1 Introdução 3 1.3 Revisão da teoria de circuitos elétricos de corrente contínua (C) 7

2.1 Porque corrente alternada?12
2.2 Ondas Senoidais17
2.3 Entendendo as Grandezas Elétricas20
2.4 Fasores21
2.5 Representação de elementos elétricos em forma complexa24
2.6 Análise de Circuitos de Corrente Alternada26
2.7 Exemplos32

2 Princípios de Corrente Alternada 12

3.1 Introdução34
3.2 Tipos de Potência38
3.3 Fator de Potência39
3.4 Medindo a potência40
3.5 Compensação de reativos em uma instalação41
4.1 Introdução42
4.2 Transmissão e distribuição4
4.3 Potência47
5.1 Introdução48
5.2 Estudo de caso51

5 Tarifação de energia elétrica 48

6.1 Introdução53
6.2 Elementos de uma subestação53
6.3 Proteção de circuitos5

6 Instalações Elétricas Industriais 53 1

SUMÁRIO 2

7.1 Introdução56
7.2 Características de um motor elétrico57
7.3 Projeto de instalações elétricas com motores em partida58
7.4 Partida de motores elétricos58

7 Máquinas elétricas - motores 56

8.1 Questionário60
8.2 Exercícios61
8.3 Palavras-chave69
A.1 Texas TI-8371

A Uso de calculadores com funções de números complexos 71

B.1 Omitir unidade72
B.2 Esquecer do múltiplo/ submúltiplo da unidade72
B.3 Múltiplo da unidade ao quadrado ou ao cubo72

Capítulo 1 Introdução

1.1 Eletricidade na prática

A eletricidade é uma das formas de aproveitar os recursos naturais para o desenvolvimento humano. Possui características únicas: seu armazenamento é dificil e caro, comparado com outras fontes como o petróleo. Pode ser transmitido com facilidade, e a entrega desta energia é instantânea. Sua extração da natureza pode ser realizada de diversas formas, mas cada uma possui uma desvantagem: seja no impacto ambiental, ou nos custos elevados da tecnologia.

Desta forma, a civilização atual depende fortemente da energia elétrica, aonde não é possível imaginar um desenvolvimento sem eletricidade. A engenharia, de todos os campos, deve saber usar da eletricidade para a realização de seus projetos.

1.1.1 Uma ordem de grandeza

Abaixo são ilustrados alguns números de algumas grandezas, em potências de 10, e algumas aplicações no qual são observadas estas grandezas. Esta parte é interessante para ilustrar o tamanho das grandezas elétricas. Um leigo em eletricidade sabe, pelo menos, a diferença entre um metro, um quilômetro e um milímetro. Assim como o metro, todas as grandezas elétricas podem ser expressas com o auxílio dos múltiplos e submúltiplos do sistema internacional1.

1Os múltiplos não são os mesmos usados em informática, como em quilobyte, megabyte. Neste caso, quilo = 210 = 1024, mega = 220 = 1024 × 1024.

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 4

Tabela 1.1: alguns múltiplos e submúltiplos do Sistema Internacional (SI)

Os múltiplos e submúltiplos podem ser usados com qualquer unidade. Você também pode imaginar um exemplo mais palpável, como a diferença entre um Real, um “quiloreal" e um “megareal".

A seguir são ilustrados múltiplos de unidades típicas em eletricidade, seguido por um exemplo comum.

1.1.1.1 Potência

Os exemplos incluem potência em geral, seja de dispositivos elétricos ou mecânicos, geradores ou consumidores.

1 W Rádio 10 W Aparelho de DVD, lâmpada fluorescente 100 W Lâmpada incadescente, microcomputador 1 kW Ar condicionado residencial 10 kW Motor elétrico industrial 100 kW Automóvel 1 MW Locomotiva a diesel 10 MW Demanda média de um pequeno país 100 MW Usina termelétrica de grande porte 1 GW Grandes usinas hidrelétricas (5 GW) 10 GW Usina de Itaipu (12,6 GW) 100 GW Demanda média de eletricidade do Brasil 1 TW Demanda média mundial de eletricidade (1,7 TW em 2001)

Tabela 1.2: Ordem de grandeza de potência.

1.1.1.2 Energia

São ilustradas duas unidades de energia: joule (SI) e watt-hora (usada em engenharia elétrica).

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 5

SI watt-hora Descrição

1 kJ 1 Watt-hora (3,6 kJ) 10 kJ Consumo de 1 g de gasolina 100 kJ Energia cinética de um carro em alta velocidade 1 MJ 1 kWh Média nutricional diária de uma pessoa (8,4 MJ = 2000 kcal) 10 MJ 10 kWh 100 MJ 100 kWh 1 GJ 1 MWh Descarga atmosférica, explosão de 1 ton de TNT 10 GJ 10 MWh Consumo de um automóvel durante 1 ano ... 1 GWh 1 TWh Bomba nuclear 10 TWh Impacto de meteoro 100 TWh Consumo anual do Brasil (374,9 TWh em 2005) 1 PWh Consumo anual dos Estados Unidos (3,656 PWh em 2003)

Tabela 1.3: Ordem de grandeza de energia.

100 mV Diodo (0,6 V) 1 V Pilha (1,5 V) 10 V Bateria de carro (12 V) 100 V Tomada residencial (127 ou 220 V) 1 kV Nível de isolamento de equipamentos elétricos residenciais (600 V) 10 kV Linha de distribuição urbana (13,8 kV) 100 kV Linha de transmissão típica (138 kV) 1 MV Linhas de transmissão de Itaipu (800 kV) 10 MV Geradores de impulso (6 MV)

Tabela 1.4: Ordem de grandeza de tensão elétrica.

1.1.1.4 Corrente

10 mA Transistor 100 mA Aparelho celular 1 A Televisão 10 A Chuveiro elétrico 100 A Partida de motor elétrico 1 kA Linhas de transmissão (2 kA) 10 kA Curto-circuito 100 kA Descarga atmosférica

Tabela 1.5: Ordem de grandeza de corrente elétrica.

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 6

1.2 Os caminhos da eletricidade Podemos dividir a utilização da energia elétrica em diversos campos.

1.2.1 Geração

A captação dos recursos naturais e sua transformação em energia eletrica. A forma tradicional é o gerador, no qual seu eixo pode ser acoplado a uma força mecânica, como uma turbina hidráulica ou uma turbina térmica, movida a gás, gasolina ou energia nuclear.

O desenvolvimento de novas formas de geração destina-se a um futuro no qual as fontes hidráulicas e térmicas tornam-se escassas, e ao mesmo tempo procurando fontes limpas, com baixo impacto ambiental.

Os blocos de energia das usinas devem ser transmitidos para os núcleos consumidores. O Brasil, pelo seu tamanho continental, depende de longas linhas de transmissão, no qual são necessários longos caminhos desimpedidos para passagem, ou seja, com uma grande impacto ambiental. O sistema de transmissão necessita também de um número suficiente de interligações para assegurar a continuidade do serviço.

1.2.3 Distribuição

Os blocos de energia chegam em subestações, no qual reduz a tensão e são transmitidos para os consumidores comerciais e residenciais nas malhas urbanas. Esta malha deve conter medidas de segurança de forma a suportar alterações no sistema, como mudanca de carga, tempestades ou falta de energia.

1.2.4 Máquinas Elétricas

Uma grande utilização da energia elétrica, em termos de potência, é na sua conversão para energia mecânica. O uso de motores de diversos tipos é evidente em diversos segmentos da indústria. Ao mesmo tempo, procura-se realizar projetos de máquinas eficientes e com alta confiabilidade.

1.2.5 Eletrônica

Com a invenção da válvula e do transistor, desenvolveu-se um novo campo da eletricidade envolvendo pequenos circuitos. A TV e o rádio são os principais exemplos da eletrônica, no qual atualmente desmembrou-se pela computação e pelas telecomunicações.

1.2.6 Controle

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