Atividade Contextualizada de Análise de Circuitos Elétricos

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Atividade Contextualizada de Análise de Circuitos Elétricos 
 
Nome Completo: Fagner Luiz Sousa da Silva 
Matrícula: 01375595 
Curso: Engenharia Elétrica 
 
 
Conteúdo do exercício 
Metodologia Ativa - Resolução de problemas: o objetivo dessa atividade é 
instigar a resolução de problemas com base no que foi estudado nesta 
disciplina. Aqui você deve explorar as possibilidades da metodologia ativa na 
contextualização do assunto proposto, para a solução de problemas. 
Preparado(a)? Vamos começar! 
Nesta unidade foram discutidos conceitos e definições sobre sistemas 
trifásicos. A importância prática desse estudo é justificada pelo fato de o 
sistema de geração, transmissão e distribuição da energia elétrica para uso 
residencial e industrial ser de três fases. Nesta atividade iremos focar nossa 
atenção nesse sistema. 
Suponha uma usina hidrelétrica que gera 1GW de potência com tensões de 20 
kV, que deve ser transmitida por centenas de quilômetros através de linhas de 
transmissão de 400 kV. Nos centros consumidores essa tensão é diminuída em 
subestações para 63 kV e distribuída até os transformadores em postes 
próximos às residências dos consumidores, onde ela é baixada para 110 V. Do 
poste à residência ou indústria o consumidor tem a opção de receber uma ou 
mais fases. 
Faça um diagrama esquemático que represente a transmissão da hidrelétrica 
até a casa do consumidor e elabore um texto que responda às questões 
abaixo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A. Qual é o princípio de um gerador de tensão alternada? 
 
O princípio básico de um gerador de tensão alternada é a indução 
eletromagnética. Esses geradores funcionam com base na lei de Faraday da 
indução eletromagnética, que estabelece que uma variação do fluxo magnético 
através de uma bobina de fio condutor produz uma corrente elétrica nessa 
bobina. 
 
Um gerador de tensão alternada é composto por um conjunto de bobinas de fio 
condutor, geralmente dispostas em torno de um núcleo de ferro laminado 
chamado de estator. Esse estator é fixo e contém as bobinas que são 
atravessadas por um campo magnético fixo ou rotativo. 
 
Quando há um movimento relativo entre o estator e um rotor, que é outra parte 
do gerador, o fluxo magnético através das bobinas varia. Essa variação do 
fluxo magnético induz uma tensão alternada nas bobinas. O rotor pode ser 
movimentado manualmente, por uma fonte externa de energia, como um 
motor, ou por qualquer outra fonte que forneça a energia mecânica necessária. 
 
A tensão alternada gerada nas bobinas segue um padrão senoidal, alternando 
entre valores positivos e negativos ao longo do tempo. A frequência dessa 
alternância depende da velocidade de rotação do rotor e do número de pólos 
magnéticos presentes no estator. A tensão gerada também pode ser ajustada 
pela configuração das bobinas e do sistema magnético. 
 
Essa é a base de funcionamento de um gerador de tensão alternada, em que a 
indução eletromagnética é utilizada para converter energia mecânica em 
energia elétrica alternada. Esses geradores são amplamente utilizados na 
geração de energia elétrica em usinas, em sistemas de distribuição de 
eletricidade e em muitos outros dispositivos e aplicações. 
 
 
B. Como é possível obter-se três tensões defasadas de 120º entre si em 
um gerador trifásico? 
 
Para obter três tensões defasadas de 120 graus entre si em um gerador 
trifásico, é necessário utilizar um arranjo especial de bobinas no estator do 
gerador. Esse arranjo é conhecido como sistema estrela (Y) ou sistema 
triângulo (Δ), dependendo da forma como as bobinas são conectadas. 
 
No sistema estrela (Y), as extremidades de cada bobina são conectadas em 
um ponto comum, formando uma conexão em estrela. As outras extremidades 
das bobinas são as saídas das tensões trifásicas, que estarão defasadas entre 
si em 120 graus. A figura abaixo ilustra o arranjo das bobinas no sistema 
estrela: 
 
 O 
 /|\ 
 / | \ 
 / | \ 
/___|___\ 
/ /|\ 
/ / | \ 
/_/|_ 
A B C 
 
Nesse arranjo, as tensões de fase A, B e C são defasadas entre si em 120 
graus, formando um sistema trifásico equilibrado. 
 
Já no sistema triângulo (Δ), cada bobina é conectada em série com a bobina 
seguinte, formando um circuito fechado em forma de triângulo. As tensões de 
fase são retiradas dos pontos de conexão entre as bobinas. A figura abaixo 
ilustra o arranjo das bobinas no sistema triângulo: 
 
 A----B 
 \ / 
 \/ 
 /\ 
 / \ 
 C----O 
Nesse arranjo, as tensões de fase A, B e C também estão defasadas entre si 
em 120 graus, formando um sistema trifásico equilibrado. 
 
Em ambos os sistemas, a geometria e o arranjo das bobinas são projetados de 
forma a criar a defasagem angular necessária entre as tensões de fase, 
permitindo o funcionamento adequado de um sistema trifásico. Essas 
configurações são amplamente utilizadas em sistemas de energia elétrica, 
motores trifásicos e outras aplicações onde é necessário o uso de energia 
trifásica. 
 
C. Qual é a necessidade de se elevar a tensão para a transmissão? 
Justifique sua resposta por meio de um exemplo numérico. 
 
Minimizar as perdas de transmissão: Quando a energia elétrica é transmitida 
por longas distâncias, ocorrem perdas de energia devido à resistência dos 
cabos de transmissão. Essas perdas são diretamente proporcionais à corrente 
elétrica que passa pelos cabos, de acordo com a Lei de Joule (P = I^2 * R), 
onde P é a potência perdida, I é a corrente e R é a resistência. Ao elevar a 
tensão, a corrente necessária para transmitir uma determinada potência é 
reduzida, o que resulta em menores perdas de transmissão. 
 
Reduzir o tamanho e custo dos condutores: A corrente elétrica necessária para 
transmitir uma determinada potência é inversamente proporcional à tensão (P = 
V * I). Ao elevar a tensão, a corrente é reduzida, permitindo o uso de cabos de 
menor diâmetro e, consequentemente, reduzindo os custos de materiais e 
instalação dos cabos. 
 
Aumentar a eficiência do sistema: Com menores perdas de transmissão, o 
sistema de transmissão se torna mais eficiente. Menos energia é dissipada 
como calor nos cabos, resultando em um aproveitamento maior da energia 
gerada. 
 
Vamos considerar um exemplo numérico para ilustrar a importância da 
elevação da tensão na transmissão. Suponha que uma usina de geração de 
energia elétrica produza uma potência de 1000 MW (megawatts) e essa 
energia precise ser transmitida para uma cidade distante, a uma distância de 
200 km. Vamos considerar duas situações: uma transmissão em alta tensão e 
outra em baixa tensão. 
 
No caso da transmissão em alta tensão, suponhamos que a tensão seja 
elevada para 500 kV (quilovolts). A corrente necessária para transmitir 1000 
MW nessa tensão é calculada pela fórmula P = V * I, onde P é a potência em 
watts, V é a tensão em volts e I é a corrente em amperes. Portanto, I = P / V = 
1000 * 10^6 / 500 * 10^3 = 2000 A. Suponhamos que a resistência dos cabos 
de transmissão seja de 0,1 ohm. As perdas de transmissão são dadas pela 
fórmula P = I^2 * R, resultando em P = (2000)^2 * 0,1 = 400.000 W ou 400 kW. 
 
Agora, consideremos a transmissão em baixa tensão, digamos 10 kV. A 
corrente necessária para transmitir a mesma potência de 1000 MW é dada por 
I = P / V = 1000 * 10^6 / 10 * 10^3 = 100.000 A. Aplicando a fórmula de perdas 
de transmissão, P = I^2 * R, obtemos P = (100.000)^2 * 0,1 = 1.000.000.000 W 
ou 1.000 MW. 
 
 
D. Qual é a vantagem de a transmissão ser feita em várias fases? 
 A transmissão em várias fases, como a transmissão trifásica, apresenta 
diversas vantagens importantes. Aqui estão algumas delas: 
Eficiência na transmissão de energia: A transmissão em várias fases permite 
uma utilização mais eficiente dos condutores e transformadores. Comparada à 
transmissão monofásica, a transmissão trifásica utiliza menos material condutor 
para transmitir a mesma quantidade de energia elétrica. Isso resulta em 
economia de custos e maioreficiência energética. 
 
Potência constante: A transmissão em várias fases, como a trifásica, 
proporciona uma potência constante e equilibrada na carga. Com três fases 
defasadas em 120 graus entre si, a soma das potências nas três fases é 
constante ao longo do tempo. Isso garante um fornecimento de energia mais 
estável e suave para os consumidores, evitando flutuações significativas. 
 
Equilíbrio de cargas: A transmissão trifásica permite um melhor equilíbrio de 
cargas entre as fases. Diferentes regiões ou consumidores podem ter 
demandas de energia variáveis ao longo do tempo. Com a transmissão em 
várias fases, é possível redistribuir as cargas entre as fases, garantindo um 
melhor balanceamento e evitando sobrecargas em uma única fase. 
 
Redução das perdas de transmissão: A transmissão trifásica ajuda a reduzir as 
perdas de transmissão. Ao elevar a tensão na transmissão, a corrente elétrica 
diminui, e as perdas de energia são proporcionais ao quadrado da corrente. 
Com uma transmissão trifásica, a corrente é dividida entre as três fases, 
resultando em uma corrente menor em cada fase e, portanto, menores perdas 
de transmissão. 
 
Uso em motores elétricos: A transmissão em várias fases é especialmente 
vantajosa para alimentar motores elétricos trifásicos, que são amplamente 
utilizados em aplicações industriais e comerciais. Os motores trifásicos são 
mais eficientes, robustos e têm um melhor desempenho em relação aos 
motores monofásicos. Com a transmissão trifásica, é possível fornecer a 
energia necessária para esses motores, impulsionando diversas indústrias e 
sistemas de transporte. 
 
Padronização e compatibilidade: A transmissão em várias fases, como a 
transmissão trifásica, é amplamente padronizada e adotada em todo o mundo. 
Essa padronização facilita a interoperabilidade entre diferentes sistemas 
elétricos e a interconexão de redes elétricas, permitindo a transmissão eficiente 
e confiável de energia em longas distâncias. 
 
Em resumo, a transmissão em várias fases apresenta vantagens como 
eficiência energética, potência constante, equilíbrio de cargas, redução de 
perdas de transmissão, compatibilidade com motores trifásicos e padronização. 
Essas vantagens tornam a transmissão em várias fases a escolha preferencial 
na transmissão de energia elétrica em larga escala e em diversas aplicações 
industriais e comerciais. 
 
 
 
 
 
E. Qual é o papel do transformador em sistemas de transmissão e 
distribuição de energia elétrica? 
 
O transformador desempenha um papel fundamental nos sistemas de 
transmissão e distribuição de energia elétrica. Ele é um dispositivo 
eletromagnético que permite o aumento ou a redução da tensão alternada em 
um circuito elétrico. Suas principais funções são: 
 
Elevação e redução da tensão: O transformador é usado para elevar a tensão 
em sistemas de transmissão de energia elétrica. Isso é feito para reduzir as 
perdas de transmissão, conforme discutido anteriormente. Ao aumentar a 
tensão, a corrente elétrica é reduzida, minimizando as perdas por efeito Joule 
nos cabos de transmissão. Nas subestações, os transformadores são usados 
para reduzir novamente a tensão para níveis seguros e adequados para a 
distribuição nas redes locais. 
 
Isolamento elétrico: O transformador também atua como um dispositivo de 
isolamento elétrico. Ele separa eletricamente o sistema de transmissão de alta 
tensão dos sistemas de distribuição e dos equipamentos de consumo, 
garantindo a segurança e proteção contra descargas elétricas. Isso permite que 
diferentes níveis de tensão coexistam e sejam utilizados em diferentes partes 
do sistema elétrico. 
 
Adaptação de impedância: O transformador também desempenha um papel na 
adaptação de impedância entre diferentes partes do sistema elétrico. A 
impedância é a resistência ao fluxo de corrente elétrica e pode variar entre 
diferentes componentes do sistema elétrico. O transformador permite ajustar a 
relação de tensão e corrente para corresponder à impedância do sistema e 
garantir a transferência eficiente de energia entre diferentes partes do sistema 
de transmissão e distribuição. 
 
Separação de sistemas em diferentes fases: Nos sistemas trifásicos, o 
transformador é usado para separar as diferentes fases, como A, B e C. Isso 
permite a distribuição e controle eficiente da energia em cada fase do sistema 
trifásico. Os transformadores trifásicos são projetados especificamente para 
lidar com as três fases simultaneamente, fornecendo a conversão de tensão 
necessária. 
 
Controle e regulação de tensão: Os transformadores podem ser usados para 
controlar e regular a tensão em diferentes partes do sistema elétrico. Isso é 
particularmente importante em sistemas de distribuição, onde a tensão precisa 
ser ajustada para atender aos requisitos específicos de cada área de consumo. 
 
Em resumo, o transformador é essencial nos sistemas de transmissão e 
distribuição de energia elétrica, desempenhando funções como elevação e 
redução da tensão, isolamento elétrico, adaptação de impedância, separação 
de sistemas em diferentes fases e controle de tensão. Ele desempenha um 
papel crucial na eficiência, segurança e operação confiável do sistema elétrico 
como um todo. 
 
F. Quais são as possíveis vantagens de o consumidor receber mais de 
uma fase? 
 
Existem várias vantagens de um consumidor receber mais de uma fase em seu 
fornecimento de energia elétrica. Aqui estão algumas das possíveis vantagens: 
 
Distribuição equilibrada de carga: Ao receber mais de uma fase, o consumidor 
pode distribuir a carga elétrica de maneira mais equilibrada entre as fases. Isso 
é especialmente benéfico para consumidores com demanda de energia 
significativa, como indústrias e grandes estabelecimentos comerciais. Distribuir 
a carga de maneira equilibrada entre as fases evita sobrecargas em uma única 
fase e reduz a possibilidade de falhas ou interrupções no fornecimento de 
energia. 
 
Melhor aproveitamento de equipamentos trifásicos: Alguns equipamentos 
elétricos, como motores trifásicos, são projetados para operar com uma 
alimentação trifásica. Ao receber mais de uma fase, o consumidor pode 
aproveitar totalmente esses equipamentos, que são eficientes e amplamente 
utilizados em diversas indústrias. Esses equipamentos têm um melhor 
desempenho e maior eficiência energética quando alimentados por um sistema 
trifásico. 
 
Flexibilidade na instalação de cargas elétricas: Receber mais de uma fase 
proporciona maior flexibilidade ao consumidor para instalar e distribuir cargas 
elétricas em sua propriedade. Com múltiplas fases disponíveis, o consumidor 
pode dimensionar melhor a energia fornecida a diferentes áreas ou 
equipamentos, adaptando-se às necessidades específicas do seu consumo 
elétrico. Isso permite um melhor gerenciamento da carga e maior eficiência 
energética. 
 
Redução do risco de falhas: Ter mais de uma fase de fornecimento de energia 
reduz o risco de interrupções no fornecimento elétrico. Se uma fase apresentar 
algum problema, como uma falha no transformador ou uma interrupção na 
rede, o consumidor ainda terá acesso a outras fases, garantindo um 
fornecimento de energia contínuo. Isso é especialmente relevante para 
empresas que dependem de energia elétrica contínua para suas operações, 
evitando perdas de produção e prejuízos financeiros. 
 
Possibilidade de uso de sistemas de backup: Com a disponibilidade de 
múltiplas fases, o consumidor tem a opção de usar sistemas de backup, como 
geradores elétricos, em caso de interrupções ou falhas no fornecimento de uma 
das fases. Isso proporciona maior segurança e confiabilidade no fornecimento 
de energia, garantindo a continuidade das operações e minimizando impactos 
negativos em emergências. 
 
Em resumo, receber mais de uma fase no fornecimento de energia elétrica 
oferece vantagens como distribuição equilibrada de carga, melhor 
aproveitamento de equipamentos trifásicos, flexibilidade na instalação de 
cargas elétricas, redução do risco de falhas e a possibilidadede uso de 
sistemas de backup. Essas vantagens contribuem para um fornecimento de 
energia mais estável, eficiente e confiável para os consumidores. 
 
G. Quantos fios condutores são necessários para levar um trifásico do 
poste ao relógio do consumidor? 
Para levar um fornecimento trifásico do poste ao relógio do consumidor, 
geralmente são necessários quatro fios condutores. Esses fios são: 
 
Três fios de fase (L1, L2 e L3): Cada fase é representada por um fio condutor. 
Esses fios transportam a corrente alternada de cada fase do fornecimento 
trifásico. 
 
Um fio neutro (N): O fio neutro é utilizado como referência comum para as três 
fases. Ele é conectado ao ponto neutro do sistema trifásico e permite o retorno 
da corrente elétrica. 
 
Esses quatro fios condutores, três fios de fase e um fio neutro, são 
responsáveis por fornecer a energia elétrica trifásica do poste ao relógio do 
consumidor, permitindo o funcionamento adequado dos equipamentos elétricos 
e a medição do consumo de energia. Vale ressaltar que o número de fios e 
configuração específica podem variar dependendo do sistema elétrico e das 
normas de cada país ou região. É importante consultar as regulamentações 
locais para obter informações precisas sobre a configuração de fios condutores 
em sistemas trifásicos. 
 
 
 
H. Qual é a importância de se procurar equilibrar as fases na distribuição 
de cargas em uma instalação residencial? 
Procurar equilibrar as fases na distribuição de cargas em uma instalação 
residencial é importante por várias razões: 
 
Utilização eficiente da energia: Quando as cargas são distribuídas de maneira 
desequilibrada entre as fases, uma ou mais fases podem ficar 
sobrecarregadas, enquanto outras ficam subutilizadas. Isso resulta em um uso 
ineficiente da energia elétrica, pois parte da capacidade do sistema não está 
sendo aproveitada totalmente. Ao equilibrar as cargas entre as fases, a energia 
é distribuída de maneira mais uniforme, maximizando a utilização dos recursos 
disponíveis. 
 
Prevenção de sobrecargas: Ao distribuir cargas de forma desequilibrada, é 
mais provável que ocorram sobrecargas em uma ou mais fases específicas. 
Isso pode levar a problemas como superaquecimento dos fios, mau 
funcionamento de equipamentos e risco de incêndio. Ao equilibrar as fases, 
reduz-se a probabilidade de sobrecargas e aumenta-se a segurança elétrica na 
residência. 
 
Redução de quedas de tensão: Uma distribuição desequilibrada de cargas 
também pode levar a quedas de tensão significativas em uma ou mais fases. 
Isso afeta o desempenho dos equipamentos elétricos, pois eles podem receber 
uma tensão abaixo do necessário para operar corretamente. Ao equilibrar as 
fases, minimiza-se a variação de tensão e garante-se uma alimentação 
adequada para todos os equipamentos. 
 
Melhor desempenho de equipamentos trifásicos: Se a instalação residencial 
incluir equipamentos trifásicos, como bombas de piscina, motores de ar 
condicionado ou outros dispositivos, é importante distribuir as cargas de forma 
equilibrada para esses equipamentos. Os motores trifásicos operam de forma 
mais eficiente e com melhor desempenho quando as fases estão equilibradas. 
Desvios significativos na carga de uma fase específica podem resultar em 
operação instável ou redução de eficiência desses equipamentos. 
 
Economia de energia: Ao equilibrar as fases, minimiza-se o desperdício de 
energia e a necessidade de dimensionar a instalação elétrica com capacidade 
excedente. Uma distribuição equilibrada das cargas permite uma melhor gestão 
do consumo de energia, evitando a sobredimensionamento dos sistemas 
elétricos e, assim, gerando economia nos custos de eletricidade. 
 
Portanto, a importância de se procurar equilibrar as fases na distribuição de 
cargas em uma instalação residencial está relacionada à utilização eficiente da 
energia, prevenção de sobrecargas, redução de quedas de tensão, melhor 
desempenho de equipamentos trifásicos e economia de energia. Ao buscar um 
equilíbrio nas cargas, é possível garantir um funcionamento seguro, eficiente e 
confiável do sistema elétrico residencial. 
 
 
 
 "Viagem na Eletricidade" (Voyage en Electricite) 
 
E uma série de animação composta por 26 episódios, produzida por Jacques 
Rouxel na década de 80. A série tem como objetivo educar e entreter o público 
jovem, abordando conceitos-chave relacionados à eletricidade. Em cada 
episódio, o público é levado a uma jornada emocionante, onde personagens 
cativantes e aventuras divertidas são utilizados para transmitir conhecimentos 
sobre eletricidade. 
 
Através de uma abordagem lúdica, a série explora diversos temas importantes, 
como circuitos elétricos, geração e distribuição de energia, magnetismo, 
condutores e isolantes, componentes eletrônicos e segurança elétrica. Os 
episódios são repletos de animações coloridas, diálogos simples e exemplos 
práticos, facilitando a compreensão dos conceitos abordados. 
 
"Viagem na Eletricidade" desperta o interesse das crianças e jovens pelo 
mundo da eletricidade, incentivando a curiosidade e a busca pelo 
conhecimento científico. A série proporciona uma base sólida de entendimento 
sobre os princípios e aplicações da eletricidade, preparando os espectadores 
para compreenderem melhor o funcionamento dos dispositivos elétricos e o 
impacto da eletricidade em suas vidas cotidianas. 
 
Com seu estilo cativante e informativo, "Viagem na Eletricidade" é uma série 
educativa que visa promover o aprendizado de forma divertida, contribuindo 
para a formação de uma geração mais consciente e informada sobre os 
fundamentos da eletricidade. 
 
 
 
 
- Referências Bibliográficas 
 
Estudo das atividades. 
https://sereduc.blackboard.com/ultra/courses/_167291_1/outline/assessment/_8
026384_1/overview/attempt/_27089669_1?courseId=_167291_1 
 
ASPECTOS GERAIS DE SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO 
https://www.feis.unesp.br/Home/departamentos/engenhariaeletrica/apostila_sd
ee_01 
 
Aula 10 – Sistema Elétrico de Potência (SEP) 
https://www.eletrica.ufpr.br/sebastiao/wa_files/te039%20aula%2010%20-
%20sep.pdf 
 
Aula 1 - Circuitos Monofásicos 
http://www.eletrica.ufpr.br/sebastiao/wa_files/te344%20aula%2001%20-
%20introducao%20circuitos%20monofasicos_%284%29.pdf 
 
 
https://sereduc.blackboard.com/ultra/courses/_167291_1/outline/assessment/_8026384_1/overview/attempt/_27089669_1?courseId=_167291_1
https://sereduc.blackboard.com/ultra/courses/_167291_1/outline/assessment/_8026384_1/overview/attempt/_27089669_1?courseId=_167291_1
https://www.feis.unesp.br/Home/departamentos/engenhariaeletrica/apostila_sdee_01
https://www.feis.unesp.br/Home/departamentos/engenhariaeletrica/apostila_sdee_01
https://www.eletrica.ufpr.br/sebastiao/wa_files/te039%20aula%2010%20-%20sep.pdf
https://www.eletrica.ufpr.br/sebastiao/wa_files/te039%20aula%2010%20-%20sep.pdf
http://www.eletrica.ufpr.br/sebastiao/wa_files/te344%20aula%2001%20-%20introducao%20circuitos%20monofasicos_%284%29.pdf
http://www.eletrica.ufpr.br/sebastiao/wa_files/te344%20aula%2001%20-%20introducao%20circuitos%20monofasicos_%284%29.pdf