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Universidade Federal de Mato Grosso do Sul Engenharia de Produção Eletricidade Aplicada ALUNO: Vitor Eduardo de Sousa Santos Conceitos básicos necessários aos projetos e à execução das instalações elétricas Composição da Matéria Tudo no universo é constituído de matéria, que pode se apresentar das mais diversas formas. A sua menor parte, sem que se percam as características originais é denominada molécula. Se as moléculas forem divididas obtêm-se os átomos compostos por partículas infinitesimais denominadas prótons, nêutrons e elétrons. Os dois primeiros encontram-se no núcleo do átomo, enquanto os prótons possuem carga eletricamente elementar positiva os nêutrons não possuem carga. Já os elétrons estão na eletrosfera e têm carga elétrica negativa. Corpos Bons Condutores e Corpos Maus Condutores A facilidade ou dificuldade de liberdade dos elétrons determina a condutibilidade elétrica do material. Bons condutores são materiais que permitem que os elétrons se desloquem facilmente. Os metais, em geral, são ótimos condutores de eletricidade. Neles, os elétrons fluem com facilidade. Por isso, o cobre, o alumínio e o estanho costumam ser empregados na fabricação de fios elétricos. Pelo mesmo conceito, materiais que ofereçam oposição a passagem da corrente elétrica são ditos maus condutores, como exemplo temos a borracha, cerâmica, madeira. Carga Elétrica A carga elétrica é uma propriedade das partículas elementares que compõem o átomo. Lembrando que o átomo é formado por prótons, nêutrons e elétrons, sendo que: Prótons: Localizam-se no núcleo do átomo e possuem carga elétrica positiva; Elétrons: Ficam na eletrosfera, região ao redor do núcleo atômico, e têm carga elétrica negativa; Nêutron: Também localizado no núcleo atômico, não possui carga elétrica. A unidade de grandeza da carga elétrica no Sistema Internacional de Unidades é o Coulomb, representado pela letra C, em homenagem a Charles Augustin Coulomb. Todos os corpos são formados por cargas elétricas, porém, não é fácil perceber suas propriedades, pois a maioria dos corpos, quando estão eletricamente neutros, possui mesma quantidade de prótons e elétrons. Um corpo pode ser eletrizado de duas formas: Positivamente: se possui mais prótons que elétrons; Negativamente: se possui mais elétrons do que prótons. A carga elétrica elementar é a menor quantidade de carga que pode ser encontrada na natureza. Seu valor é igual a 1,6 x 10^-19 C e é atribuído à carga do elétron (com sinal negativo) e à do próton (com sinal positivo). Corrente Elétrica A corrente elétrica caracteriza movimento de cargas elétricas, como os elétrons, que acontece no interior de diferentes materiais, em razão da aplicação de uma diferença de potencial elétrico. A corrente elétrica é a grandeza física que nos permite conhecer qual é a quantidade de carga que atravessa a secção transversal de um condutor a cada segundo. Noções de Magnetismo e Campo Magnético Magnetismo se define como a capacidade de atração em imãs, ou seja, a capacidade que um objeto possui de atrair outros objetos. Campo Magnético é a concentração de magnetismo que é criado em torno de uma carga magnética num determinado espaço. É o ímã que cria o campo magnético, da mesma forma como é a carga elétrica e a massa que, respectivamente, criam os campos elétrico e gravitacional. Isso pode ser mostrado através da imagem de um vetor, um ímã, que é representado pelo vetor B. As linhas de indução partem dos vetores de indução magnética e dirigem-se do polo norte para o polo sul. Forca Eletromotriz (F.E.M.) Força eletromotriz (F.E.M.) é o potencial elétrico, medido em Volts, fornecido por um gerador, como uma bateria, para um circuito ou dispositivo elétrico. É uma grandeza escalar que pode ser definida como a energia potencial elétrica por unidade de carga. A força eletromotriz pode ser compreendida como a quantidade de trabalho que um gerador realiza para mover as cargas elétricas entre dois pontos de um circuito. Geração de F.E.M. Os geradores elétricos são as fontes da força eletromotriz, que move os aparelhos eletroeletrônicos. Como todos os dispositivos reais, os geradores apresentam resistência elétrica interna não nula, isso é, quando se liga um gerador elétrico a algum circuito ou dispositivo elétrico, uma parte da força eletromotriz que ele produz é dissipada pelo seu próprio funcionamento, devido ao Efeito Joule. Desse modo, o gerador acaba fornecendo um potencial elétrico um pouco menor que sua força eletromotriz. Indução Eletromagnética Indução eletromagnética é um fenômeno da Física que está relacionado ao surgimento de uma corrente elétrica por meio de um condutor, imerso em um já existente campo magnético, no momento em que se dá a variação do fluxo que atravessa tal campo. Diferença de Potencial ou Tensão Considere um aparelho que mantenha um falta de elétrons em uma de suas extremidades e na outra um excesso. Este aparelho é chamado gerador e pode ser uma pilha comum. A falta de elétrons em um polo e o excesso em outro origina uma diferença de potencial (d.d.p.). Um aparelho elétrico só funciona quando se cria uma diferença de potencial entre os pontos em que estiver ligado para que as cargas possam se deslocar. A tensão elétrica é a diferença de potencial entre dois pontos. A unidade da tensão elétrica, no SI, é o volt (V). Resistências Elétricas - Lei de Ohm A resistência elétrica, medida sob a grandeza Ω (Ohm), designa a capacidade que um condutor tem de se opor à passagem de corrente elétrica. Em outras palavras, a função da resistência elétrica é de dificultar a passagem de corrente elétrica. A resistência de um condutor homogêneo de secção transversal constante é proporcional ao seu comprimento e da natureza do material de sua construção, e é inversamente proporcional à área de sua secção transversal. Em alguns materiais também depende de sua temperatura. Potência e Energia elétrica A energia de uma forma geral pode ser entendida como sendo a capacidade de uma força aplicada a um corpo realizar trabalho. Assim quando um corpo sofre modificação em seu estado como sua forma, posição etc. através de uma força aplicada a ele, diz-se que a força está realizando trabalho. A potência elétrica dissipada por um condutor é definida como a quantidade de energia térmica que passa por ele durante uma quantidade de tempo. A unidade utilizada para energia é o watt (W), que designa joule por segundo (J/s). Medidores de Potencia O wattímetro – também conhecido como medidor de energia – é um instrumento que faz a medição da potência elétrica fornecida ou devastada por um elemento. Ela se dá simultaneamente pelos valores de tensão e corrente, e os multiplica para obter a potência em watts. Wattímetro é composto por uma bobina – a do voltímetro – e duas bobinas fixas – as amperométricas. A bobina voltímetro está unida ao circuito elétrico paralelo, enquanto as bobinas amperométricos têm uma ligação em série. Ele implementa o efeito das amplitudes: tensão e corrente elétrica, sendo que o terminal será ligado em paralelo com o elemento. Em função disso a medição da tensão será realizada e as duas bobinas ficarão interpostos na direção da corrente. Medidores de Energia O medidor de energia elétrica tem a função de medir o consumo de energia elétrica de uma carga. Os medidores de energia fazem a medição do consumo de energia elétrica mensalmente em kWh. Existem basicamente dois tipos de medidores de energia elétrica, o medidor eletrônico e o medidor eletromecânico. O medidor eletromecânico possui um disco de metal que gira sempre quando passa uma corrente elétrica pelas suas bobinas, de forma com que esta corrente acabe gerando um campo magnético, isto é, o medidor eletromecânico funciona atravésda indução eletromagnética. O campo magnético gerado faz com que o disco no medidor gire somente quando houver consumo de energia elétrica, para então acontecer o movimento das engrenagens e dos ponteiros do medidor. Como o próprio nome sugere o medidor eletrônico funciona eletronicamente, ou seja, a sua medição é feita de forma digital, sendo usada uma tecnologia muito mais moderna. Cálculo Matemático da Energia Define-se potência elétrica como a razão entre a energia elétrica transformada e o intervalo de tempo dessa transformação. Potência elétrica: Pot = E el Δ t Corrente Continua e Corrente Alternada Alternada Nesse tipo de corrente, o fluxo de elétrons que carrega a energia elétrica dentro de um fio não segue um sentido único. Ora os elétrons vão para frente, ora para trás, mudando de rota 120 vezes por segundo. Essa variação é fundamental, pois os transformadores que existem numa linha de transmissão só funcionam recebendo esse fluxo de elétrons alternado. Dentro do transformador, a voltagem da energia transmitida é aumentada, permitindo que ela viaje longe, desde uma usina até a sua casa Contínua Aqui o fluxo de elétrons passa pelo fio sempre no mesmo sentido. Como não há alternância, essa corrente não é aceita pelos transformadores e não ganha voltagem maior. Resultado: a energia elétrica não pode seguir muito longe. Por isso, a corrente contínua é usada em pilhas e baterias ou para percorrer circuitos internos de aparelhos elétricos, como um chuveiro. Mas ela não serve para transportar energia entre uma usina e uma cidade Circuitos Reativos em Série e Paralelo do tipo RC, RL e RLC em Corrente Alternada Existem três componentes básicos destes circuitos analógicos: o resistor (R), o capacitor (C) e o indutor (L). Estes podem ser combinados em quatro importantes circuitos, o circuito RC, o circuito RL, o circuito LC e o circuito RLC, com as abreviações indicando quais componentes são utilizados. Estes circuitos, entre eles, exibem um grande número de tipos de comportamentos que são fundamentais em grande parte da eletrônica analógica. Em particular, eles são capazes de atuar como filtros passivos. Na prática, entretanto, os capacitores (e os circuitos RC) são normalmente mais utilizados que os indutores visto que eles são fabricados mais facilmente e são geralmente menores fisicamente, particularmente para os valores mais elevados nas grandezas dos componentes. Um circuito RLC (também conhecido como circuito ressonante ou circuito aceitador) é um circuito elétrico consistindo de um resistor (R), um indutor (L), e um capacitor (C), conectados em série ou em paralelo. O circuito RLC é chamado de circuito de segunda ordem visto que qualquer tensão ou corrente nele pode ser descrita por uma equação diferencial de segunda ordem. Ondas Senoidais A onda senoidal ou sinusoidal obedece a uma função seno ou cosseno e é a forma de onda mais simples. Todas as outras formas de onda, mesmo as mais complexas, podem ser decompostas em conjuntos de ondas senoidais através da aplicação das séries de fourier. Circuitos Monofásicos e Trifásicos Em um sistema monofásico a rede dispõe de dois condutores elétricos, sendo um condutor de fase e um condutor neutro, de forma com que a tensão elétrica deste sistema nas instalações elétricas seja de 127V ou 220V, podendo variar de acordo com a concessionária de energia elétrica. Nas instalações elétricas a rede monofásica é distribuída através de tomadas de uso geral, e é utilizada para a alimentação de equipamentos do cotidiano, como notebooks, computadores, carregadores de celular, iluminação, chuveiro elétrico e televisões. Geralmente as instalações elétricas de rede monofásica é consomem em média no máximo 8KW (8000W). No sistema trifásico, a rede elétrica dispõe de quatro condutores, três condutores de fase (R, S, T) e um condutor neutro. Assim como no sistema bifásico, as tensões de fase e linha podem variar entre 127/220V ou 220/380V e em algumas situações os sistemas trifásicos fornecerem em média potências de até 75KW (75000W), muito usado em indústria e comércios. O transformador trifásico é alimentado por três fases, ou seja, têm três condutores entrando na parte superior do transformador, mas como vimos anteriormente, o fornecimento é realizado a quatro condutores. Com isso podemos observar que o neutro surge no transformados, na entrada do transformador o fechamento é em triângulo e o fechamento na saída do transformador é em estrela. O sistema elétrico é caracterizado por três ondas monofásicas que trabalham juntas, sendo que as fases estão defasadas no tempo de 120 graus. Assim a tensão é sempre muito próxima da tensão máxima disponível, devido a este deslocamento de 120 graus. Fator de Potência O fator de potência de um sistema elétrico qualquer, que está operando em corrente alternada (CA), é definido pela razão da potência real ou potência ativa pela potência total ou potência aparente. Potência Aparente: é a potência instantânea medida multiplicando a tensão pela corrente, medida em kVA (quilo Volt-Ampere). Potência Ativa: é aquela que é usada no equipamento para realizar trabalho, ou seja, é de fato utilizada na conversão de energia elétrica em mecânica, térmica…etc. É medida em kW (quilo Watts). Potência Reativa: é utilizada na manutenção dos campos eletromagnéticos nas estruturas das cargas indutivas, como motores de indução. Sua unidade de medida é o kVAr (quilo Volt-Ampere Reativo). Quando cargas indutivas são acionadas com alimentação por corrente alternada, ocorre um fenômeno de defasagem entre as ondas da tensão e da corrente, causando o surgimento da Potência Reativa. Esta defasagem é quantificada pelo chamado Fator de Potência (FP). Circuitos ParaIelos O circuito em paralelo também é composto por duas ou mais cargas, porém diferente do circuito em série, todas essas cargas possuem o mesmo ponto em comum, ou seja, há um ponto de derivação para todas elas, fazendo com que o fluxo da corrente elétrica separe proporcionalmente para cada carga, de acordo com o valor de sua resistência. Tem como as principais características de um circuito paralelo que tanto a corrente e tensão elétrica no circuito irão se comportar de maneira diferente. No caso da tensão elétrica, será sempre a mesma para todos as cargas do circuito, ou seja, a mesma tensão entregue pela fonte. Já a corrente elétrica não será a mesma nas cargas, exceto se tiverem duas com o mesmo valor de resistência. Isso também se deve a uma relação matemática, sabendo que a tensão é a mesma em todas as cargas, a corrente elétrica irá variar de acordo com a resistência, pois são grandezas inversamente proporcionais. Circuito Misto Um circuito elétrico misto é aquele que resulta da combinação de duas configurações básicas: circuitos em série e circuitos paralelos. Essas são as montagens mais comuns na vida cotidiana, pois as redes elétricas convencionais resultam da mistura de circuitos sequenciais e paralelos. Para calcular os valores equivalentes de cada componente (resistores, capacitores, indutores, etc.), recomenda-se simplificar a análise, reduzindo o circuito à sua expressão mais simples. É possível calcular quedas de tensão e fluxo de corrente através de cada um dos receptores. Dessa forma, é possível simplificar os componentes conectados em série e em paralelo, até obter um circuito equivalente simples. Os circuitos elétricos mistos são extremamente úteis ao reduzir a queda de tensão em um componente específico. Para isso, arranjos seriais e paralelos são feitos para induzir o efeito desejado. Ligação em Triangulo e em Estrela Opta-se por utilizar a estrela triângulo quando temos a necessidade de reduzir a corrente de partida de um motor trifásico. O pico da corrente de partida deum motor trifásico pode chegar a 7 vezes o valor da sua corrente nominal, logo motores com potência considerável (normalmente acima de 7,5cv) podem causar um aumento grande no consumo de energia. A partida estrela triângulo pode ser considerada um tipo de partida indireta, pois não conecta diretamente a carga na rede elétrica no momento do acionamento. Com a partida estrela triângulo é possível reduzir 33% da corrente de partida em comparação com o sistema de partida direta. Na ligação em triângulo este motor está preparado para operar com a tensão nominal de 220V, neste tipo de ligação a tensão de fase é igual a tensão de linha. Na ligação em estrela a tensão nominal do motor será de 380V, tensão de fase e 220V tensão de linha. A grande sacada deste tipo de partida é alimentarmos o motor com a tensão da rede (no caso 220V) com o motor fechado em estrela e depois que o motor atingir 90% da sua rotação nominal mudamos o fechamento para triângulo. Tudo isso de maneira automática através de comandos elétricos. Ligação em Triangulo ou Delta Neste tipo de ligação, a associação dos enrolamentos tem um aspecto idêntico ao do triangulo. As correntes de linha são iguais em módulo, porém defasadas 120° entre si. Ligação em Estrela Outro tipo de ligação trifásica, na qual se junta em um único nó, um terminal de cada enrolamento. Neste esquema temos dois tipos de tensões: as entre fases e as entre fase e neutro. Motor Assíncrono de Corrente Alternada (Trifásico) Ao contrário do motor síncrono, o motor assíncrono gira em uma velocidade ligeiramente menor que a velocidade de rotação do campo girante do estator. Sendo assim o rotor não está sincronizado com esse campo girante, por isso ele recebe o nome de motor assíncrono. Essa diferença entre a velocidade do rotor e a velocidade do campo magnético é denominada de escorregamento do motor. Leis de Kirchhoff A 1ª Lei de Kirchhoff é chamada de Lei dos Nós, que se aplica aos pontos do circuito onde a corrente elétrica se divide. Ou seja, nos pontos de conexão entre três ou mais condutores (nós). A Lei dos Nós, também chamada de primeira lei de Kirchhoff, indica que a soma das correntes que chegam em um nó é igual a soma das correntes que saem. Esta lei é consequência da conservação da carga elétrica, cuja soma algébrica das cargas existentes em um sistema fechado permanece constante. Já a 2ª Lei é chamada de Lei das Malhas, sendo aplicada aos caminhos fechados de um circuito, os quais são chamados de malhas. A Lei das Malhas é uma consequência da conservação da energia. Ela indica que quando percorremos uma malha em um dado sentido, a soma algébrica das diferenças de potencial (ddp ou tensão) é igual a zero. A Lei das Malhas é uma consequência da conservação da energia. Ela indica que quando percorremos uma malha em um dado sentido, a soma algébrica das diferenças de potencial (ddp ou tensão) é igual a zero. Correntes e Tensões em Regime Transitório Circuito R-L Um circuito resistor-indutor (circuito RL), filtro RL ou malha RL, é um dos mais simples filtros eletrônicos de resposta de impulso infinita analógicos. Ele consiste de um resistor e de um indutor, podendo estar ligados tanto em série quanto em paralelo, sendo alimentados por uma fonte de tensão. Circuito R-C Um circuito resistor-capacitor/condensador (circuito RC), filtro RC ou malha RC. Constante de Tempo Por definição, constante de tempo é o tempo em que o fator exponencial da equação 𝑖 = 𝑉0 𝑅 𝑒− 𝑡 𝑅𝐶 é reduzido a 𝑒−1 = 0,368, ou aproximadamente 87%, ou seja, 𝑡 𝑅𝐶 = 1. Circuito R-L-C -Resposta Natural-Sistemas de 2* Ordem Circuitos de Corrente Alternada em Regime Permanente A resposta forçada de uma função periódica é um comportamento estacionário, embora a corrente ou tensão variem com o tempo, continuamente. Todo o abastecimento elétrico de potencias elevadas é feito em correntes alternadas em regime estacionário, ou seja, as tensões e correntes variam periodicamente, mas as frequências têm que ser mantidas constantes e com valores padronizados (50ou 60 Hz). Valor Médio O valor médio de uma onda periódica de tensão, corrente e potencia está relacionado com a componente continua dessa onda e o intervalo por este valor esta relacionado com o resultado após a “filtragem” do sinal. Valor Eficaz (rms) Em cada instante de um sistema de geração de energia alternada, os pontos máximos da crista da onda são chamados de corrente e tensão de pico a pico ou corrente e tensão instantâneos. Quando um equipamento é ligado nem toda essa corrente e tensão são absorvidos, este que é absorvido é chamado de tensão ou e correntes eficaz a parte destes que realmente é absorvido pelos equipamentos. É importante destacar que tensão e corrente não são absorvidos separadamente e sim o produto de ambas às grandezas, que é a potência elétrica. Desenhando este formato de onda teríamos o seguinte: Esta representação seria a mesma para a corrente eficaz. Desta forma é chamado de corrente alternada eficaz a corrente alternada que é equivalente a corrente contínua em quantidade capaz de transferir potência a uma carga. Os sistemas de potências são medidos tanto em corrente eficaz como em tensão eficaz, desta forma os valores que medimos em um multímetro são valores eficazes tanto para corrente quanto para tensão. O sinal senoidal possui um valor médio quadrático, ou valor rms, ou valor eficaz, que pode ser calculado pela fórmula abaixo, para a tensão e corrente. 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 2 =0,707𝑉𝑚𝑎𝑥 𝐼𝑅𝑀𝑆 = 𝐼𝑚𝑎𝑥 2 = 0,707𝐼𝑚𝑎𝑥 Instrumentos de Medida O multímetro é o aparelho responsável por realizar a medição de diversas grandezas elétricas e até não-elétricas através do uso de sensores, como por exemplo medir temperatura usando um termopar. Os multímetros possuem diversas funções e além das tradicionais medições de tensão, resistência, corrente e continuidade. Podemos encontrar em um bom multímetro opções para medir frequência, temperatura, capacitância e indutância por exemplo. O osciloscópio é um instrumento de medição que permite visualizar, em um display, sinais elétricos, ou seja, formas de ondas. Com o osciloscópio é possível usar os recursos do instrumento, para obter informações completas e de extrema relevância para uma determinada aplicação como, por exemplo, determinar valores de tensão e valores temporais de um sinal; determinar a frequência de um sinal, determinar a componente contínua (CC) e alternada (CA) de um sinal, detectar a interferência de ruídos em um sinal e eliminá-lo, além ser possível traçar curvas características de circuitos e componentes. Aplicação do Valor rms O valor RMS de um sinal AC nos informa qual o valor DC (corrente contínua) equivalente que dissiparia exatamente a mesma potência, ou seja, que geraria a mesma quantidade de calor em uma carga resistiva. Colocando de forma mais simples, o valor RMS de um sinal AC nos informa a capacidade de trabalho eficaz desse sinal. Ressonância É o fenômeno que acontece quando um sistema físico recebe energia por meio de excitações de frequência igual a uma de suas frequências naturais de vibração. Assim, o sistema físico passa a vibrar com amplitudes cada vez maiores. Quando se tem harmônicas presentes na rede elétrica acima dos valores pré-estabelecidos anteriormente, corre-se o risco que ocorra ressonância série entre o trafo e o capacitor ou banco de capacitores ou ressonância paralela entre os mesmos e as cargas (motores, etc.). Nesta situação, usam-se indutores anti-harmônicas em série com os capacitores, os quais evitam a ressonância do(s) capacitor(es) com todo o espectro de harmônicas que possa ser gerado. O fenômeno da resonância série ou paralela também pode ocorrer em instalaçõeslivre de harmônicas e com fator de potência unitário. Ressonância Série: é a condição na qual as reatâncias capacitiva e indutiva de um circuito RLC são iguais. Quando isso ocorre, as reatâncias se cancelam entre si e a impedância do circuito se torna igual à resistência, a qual é um valor muito pequeno. Ocorre entre o transformador de força e os capacitores ou banco de capacitores ligados num mesmo barramento. A ressonância série é a responsável por sobrecorrentes que danificam os capacitores e os demais componentes do circuito. Ressonância Paralela: baseia-se na troca de energia entre um indutor e um capacitor ligados em paralelo com uma fonte de tensão. Na condição ressonância paralela a corrente de linha é nula porque a soma vetorial das correntes no circuito “tanque” é zero. A tensão e a impedância resultante assumem valores muito elevados.
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