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INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS AULA 1 Prof. Juliano de Mello Pedroso 2 CONVERSA INICIAL A corrente elétrica é muito importante no processo produtivo das indústrias. Podemos separá-la em dois tipos básicos: a corrente elétrica contínua, que não altera seu valor ao longo do tempo, e a corrente elétrica alternada, que altera seu valor ao longo do tempo baseada em uma frequência específica. A maior parte do conteúdo desta disciplina é dedicada ao estudo da corrente elétrica alternada. Esse tipo de energia é usado na indústria por conta da facilidade de se transportá-la até o consumidor. O Brasil tem por característica a geração dessa energia por fontes hídricas, que são abundantes na maior parte do país, porém atualmente também se deve estudar e implantar novas fontes energéticas, pois ao longo do tempo a energia tem se tornado cada vez mais escassa. Por essa razão, é papel do engenheiro e da sociedade, em conjunto, achar formas de gerar energias alternativas e renováveis. Entretanto, no início dessa disciplina abordaremos apenas os efeitos da energia, sem levar em consideração como é gerada. Nesta primeira aula falaremos sobre os seguintes assuntos: grandezas senoidais, magnetismo, transformador, indutor e indutância e circuito em C.A. com indutância pura. Bom estudo! TEMA 1 – GRANDEZAS SENOIDAIS Ao contrário da corrente elétrica contínua, que tem a mesma intensidade ao longo do tempo, a corrente alternada tem uma componente diferente, que é a frequência. A corrente elétrica alternada é caracterizada pela alternância de intensidade e determinada frequência. Na prática devemos conhecer alguns tipos de correntes alternada, quais sejam: 3 Figura 1 – Tipos de corrente alternada: (a) forma de onda senoidal; (b) forma de onda quadrada; (c) forma de onda triangular. A corrente alternada senoidal é uma das mais importantes e por isso é a corrente que mais trataremos nesse momento. Iremos considerar uma circunferência de raio Vm e um vetor OA, que gira com rotação constante no sentido anti-horário. A ponta do vetor descreve uma circunferência, e o ângulo formado entre o eixo horizontal e a direção do vetor, α, varia com o tempo, como descrito na Figura 2. Figura 2 – Circunferência de raio Vm O ângulo por unidade de tempo da velocidade angular ou frequência angular, é representado pela letra grega ômega (ω). ω = α t Sendo α expresso em radianos (rad), t em segundos (s), teremos como resultado ω em radianos por segundo (rad/s). Uma volta completa é 2π rad ou 360°. O tempo que o vetor OA leva para completar uma volta é chamado de período (T), logo podemos considerar a seguinte equação: 𝜔 = 2𝜋 𝑇 4 O número de voltas, a que chamaremos de ciclos, completados por segundo serão nomeados como frequência (f), e é expresso em ciclos por segundo ou Hertz (Hz). 1 ciclo/s = 1hz A relação da frequência com o período nos dá a seguinte fórmula: 𝑓 = 1 𝑇 Então podemos descrever a velocidade angular pela seguinte fórmula se considerarmos a frequência: 𝜔 = 2𝜋 . 𝑓 Agora que conhecemos as grandezas básicas, poderemos analisar outras variáveis: tomamos como b sendo a projeção do vetor OA no eixo vertical; então, pelas regras da trigonometria, teremos: b = Vm . senα = Vm . senωt = Vm . sen2π.f.t Podemos verificar que a projeção de OA no eixo vertical, b, segue a lei senoidal: α = 0° → b = Vm . sen0° = 0 α = 90° → b = Vm . sen90° = Vm α = 180° → b = Vm . sen180° = 0 α = 270° → b = Vm . sen270° = -Vm α = 360° → b = Vm . sen360° = 0 Podemos analisar também de modo gráfico na Figura 3: Figura 3 – Representação gráfica senoidal Fasor é o nome dado a um vetor que gira. Na Figura 2, OA é um fasor, pois gira com velocidade angular ω. Um fasor pode ser usado para representar 5 uma grandeza senoidal. Na Figura 4, quando o ângulo α varia, a projeção do vetor OA no eixo vertical, mostrará uma sucessão de valores instantâneos da grandeza senoidal. O lado esquerdo da Figura 4 é nomeado de diagrama fasorial, e o outro lado é a onda senoidal correspondente. Figura 4 – Diagrama fasorial e onda senoidal correspondente Pode-se usar o diagrama fasorial no lugar das equações apresentando uma resposta gráfica em vez de uma equação matemática. Nota-se que no instante t=0 há uma formação de um ângulo Φ com o eixo horizontal, o valor instantâneo da grandeza será dado por: b = Vm . sen (ωt + Φ) O ângulo ϕ (letra grega fi) é chamado de ângulo de fase inicial. O diagrama fasorial correspondente e a sua forma de onda estão indicados na Figura 5. Figura 5 – Diagrama fasorial Foi tomado como base dois vetores de amplitudes Vm1 e Vm2 com a mesma fase. O diagrama fasorial e as formas de onda estão indicadas na Figura 6. 6 Figura 6 – Diagrama fasorial combinado As equações das duas grandezas senoidais são: b1 = Vm1 . sen ωt b2 = Vm2 . sen ωt Na Figura 6, os dois vetores estão em fase. Se os dois vetores estiverem defasados de um ângulo ϕ, as suas formas de onda também estarão defasadas do mesmo ângulo ϕ. Na Figura 7 as duas formas de onda estão defasadas em 90°, sendo que b1 está adiantada em relação a b2. Figura 7 – Defasagem entre b1 e b2 de 90° (quadratura) As equações das duas grandezas são: b1 = Vm1 . sen ωt b2 = Vm2 . (sen ωt –π/2) O ângulo de fase inicial de b2 é –π/2. Os cálculos em circuitos C.A. às vezes envolvem somas e subtrações de grandezas senoidais (tensões e correntes). 7 Podem-se considerar duas grandezas senoidais cujas equações são: b1 = Vm1 . sen ( ωt + ϕ 1 ) b2 = Vm2 . sen ( ωt + ϕ 2 ) A sua soma será: b = b1 + b2 = Vm1 . sen ( ωt + ϕ 1 ) + Vm2 . sen ( ωt + ϕ 2 ) Para se obter a soma pode-se usar certas propriedades da trigonometria, mas em vez disso é possível utilizar o diagrama fasorial descrito na Figura 8. Figura 8 – Diagrama fasorial Usando as regras para adição de vetores, obtemos o vetor resultante, que terá amplitude Vm e fase ϕ. Da Figura 8 do gráfico da esquerda tiramos: X1 = Vm1 . cos ϕ1 Y1 = Vm1 . sen ϕ1 X2 = Vm2 . cos ϕ2 Y2 = Vm2 . sen ϕ2 X = X1 + X2 Y = Y1 + Y2 𝑉𝑚2 = 𝑋2 + 𝑌2 ou 𝑉𝑚 = √𝑋2 + 𝑌2 𝑡𝑔∅ = 𝑌 𝑋 1.1 Valor eficaz Tomamos como base o circuito da Figura 9, a tensão aplicada é a senoidal. V = Vm. Senωt 8 Pela 1ª Lei de Ohm o valor instantâneo da corrente será: 𝑖 = 𝑣 𝑅 = 𝑉𝑚. 𝑠𝑒𝑛𝜔𝑡 𝑅 = 𝐼𝑚. 𝑠𝑒𝑛𝜔𝑡 Em que 𝐼𝑚 = 𝑉𝑚 𝑅 Figura 9 – Circuito com resistor A potência instantânea entregue à carga será dada por: p = v . i A Figura 10 mostra os gráficos de v, i e p. Pode-se notar que a potência é uma grandeza pulsante e positiva (o sentido da energia é do gerador para a carga). Figura 10 – v, i, p Define-se valor eficaz de uma tensão alternada ao valor de uma tensão contínua que produz a mesma dissipação de potência da tensão alternada em questão num mesmo resistor. 9 Figura 11 – Interpretação da tensão eficaz Na Figura 11, a dissipação de potência é a mesma nos dois casos, logo dizemos que o valor da tensão contínua, na Figura 11b, é igual ao valor eficaz da tensão alternada na Figura 11a. No caso de uma tensão alternada senoidal usa-se: 𝑉𝐸𝐹 = 𝑉𝑚 √2 ou 𝑉𝐸𝐹= 0,707. 𝑉𝑀 É claro que o mesmo vale para a corrente. No caso de um circuito puramente resistivo, a potência dissipada pode ser calculada pelas mesmas equações já vistas em circuitos C.C., somente lembrando que os valores de tensão e corrente são eficazes. Em uma grandeza senoidal, a quantidade Vm é chamada de valor de pico, portanto 2Vm é chamado de pico-a-pico (Vpp) como descrito na Figura 12. Figura 12 – Valor pico-a-pico Da Figura 13 observa-se que a tensão e a corrente estão em fase, logo o diagrama fasorial correspondente será: 10 Figura 13 – Diagrama fasorial Os comprimentos dos vetores representam os valores eficazes da tensão e corrente ou valores de pico. TEMA 2 – MAGNETISMO Os fenômenos magnéticos que ocorrem num ímã são estudados por uma área especifica chamada magnetismo, a qual é de suma importância ao estudo dos circuitos elétricos em corrente alternada. A primeira premissa que devemos analisar quando estamos falando de magnetismo é o significado de campo magnético. Sua definição se dá por ser uma região próxima a um material ferromagnético ou um ímã propriamente dito, no qual existe uma influência da forma magnética. Um ímã de proveniência natural é composto por minérios e substâncias com propriedades magnéticas, ou seja, tem um campo magnético ao seu redor, como o diagrama descrito na Figura 14. Os ímãs apresentam polaridades norte e sul, as quais, quando iguais, têm a tendência de se repelir; quando opostas, se atraem. Figura 14 – Campo magnético de um ímã Fontes: <http://www.ece.neu.edu/fac-ece/nian/mom/work.html>; <https://quizizz.com/admin/quiz/570fc33ac93ee0d6555824af>. 11 Os polos de um ímã são inseparáveis. Se um ímã for partido, serão obtidos dois novos ímãs, cada um com ambas as polaridades. Assim como o campo gravitacional é caracterizado em cada ponto pelo vetor aceleração da gravidade (g), o campo magnético é caracterizado em cada ponto pelo vetor indução magnética. As linhas de campo – ou linhas de indução, além de permitir ver a forma do campo, também dá a ideia de intensidade. Quanto maior o número de linhas por unidade de volume, mais intenso é o campo. Temos outras premissas para representar o campo magnético por meio de suas linhas de campo. As linhas do campo magnético deixam norte e entram no polo sul; Duas linhas de campo magnético não podem se cruzar; As linhas de campo formam um ângulo reto com a superfície do ímã. Na Figura 15, há exemplos de ímã e a forma de seu campo magnético. Figura 15 – Exemplos de ímãs Fonte: <https://es.slideshare.net/nicolealchipi/electronegatividad-14857761>. As linhas de campo podem ser visualizadas na prática se colocarmos limalha de ferro ao redor do ímã. As limalhas de ferro tenderão a se orientar ao longo das linhas de campo 2.1 Eletroímã Um eletroímã é uma bobina enrolada num núcleo de “ferro doce”, ou seja, ferro com alto teor de pureza, pois isto aumenta a intensidade do campo. Quando fazemos passar uma corrente por esse metal, o ferro se imanta. Cessada a corrente, cessa a imantação. 12 Figura 16 – Ímã e eletroímã Um exemplo da aplicação de um eletroímã é a construção de um guindaste eletromagnético, como demonstrado na Figura 17. Figura 17 – Eletroímã Fonte: <http://www.solucoesindustriais.com.br/empresa/metais-e-artefatos/imatec-produtos- magneticos-ltda-epp/produtos/servicos/manutencao-em-eletroimas-servicos-de>. TEMA 3 – TRANSFORMADOR O transformador é um componente elétrico que modifica a corrente elétrica alternada (quando em corrente contínua ele tem outros comportamentos). Com esse componente podemos aumentar, diminuir ou isolar a corrente elétrica alternada. Figura 18 – Transformador ou trafo Fonte: <http://www.multipecastec.com.br/loja/produto/trafo-12v-800s-hayama>. 13 Um transformador típico – ou trafo, como é comumente chamado – é constituído por dois enrolamentos elétricos isolados, fabricados em um mesmo núcleo ferroso (com a utilidade de concentrar as linhas do campo magnético). Figura 19 – Funcionamento do transformador Fonte: <https://www4.frba.utn.edu.ar/html/Electrica/archivos/electrotecnica_y_maquinas_electri cas/apuntes/7_transformador.pdf>. O primeiro enrolamento – cuja função é receber a corrente elétrica – recebe o nome de primário, e o subsequente recebe o nome de secundário, que é a bobina que fornece a corrente elétrica alterada. A corrente alternada, passando no primário, origina um fluxo magnético alternado no núcleo de ferro. Este fluxo variável atravessa o secundário, induzindo uma tensão alternada no secundário, conforme Figura 19. Os transformadores podem ser classificados em: Monofásicos: operam em uma ou duas fases, trabalhando com tensões típicas de 127V ou 220V Trifásicos: operam com três fases, com tensões de trabalho na ordem de 220V, 380V e 440V. Normalmente não transformam (elevam e diminuem) corrente contínua, pois não têm movimentação no campo elétrico e seu núcleo usa chapas de aço-silício para diminuir a perda por correntes de Foucault (também chamadas de correntes parasitas). 3.1 Exemplos de transformadores usuais O transformador que está localizado no poste em frente à sua casa ou em frente à indústria onde você trabalha é demonstrado na Figura 20. Suas tensões típicas são de 13KV (13000V), diminuindo para a entrada típica de casas ou pequenas indústrias em 127 ou 220V (podendo ser 380V ou 440V). 14 Figura 20 – Transformador industrial Fonte: <http://www.mfrural.com.br/detalhe/transformador-eletrico-182023.aspx>. Outro exemplo que se pode configurar são os transformadores de pequenos circuitos eletrônicos dentro dos invólucros residenciais, como ocorre em aparelhos de televisão ou de rádio. Lembre-se de que U1 (Up) é a tensão no primário e U2 (Us) é tensão no secundário, assim como I1 é a corrente no primário (Ip) e I2 é a corrente no secundário (IS). Em um transformador ideal, vale a relação: Ps = Pp (Potência no primário é igual a potência no secundário) Ps = Us . Is = Potência do secundário Pp = Up . Ip = Potência do primário A tensão de entrada e de saída são proporcionais ao número de espiras em cada bobina, sendo: 𝑈𝑃 𝑈𝑆 = 𝑁𝑃 𝑁𝑆 Em que: é a tensão no primário; é a tensão no secundário; é o número de espiras do primário; é o número de espiras do secundário. Tendo como base essas fórmulas, é possível chegar também à conclusão de que em caso de se ter um transformador com N1 > N2, haverá um transformador abaixador de tensão, e se houver N1 < N2 haverá um transformador elevador de tensão. 15 Por esta proporcionalidade concluímos que um transformador reduz a tensão se o número de espiras do secundário for menor que o número de espiras do primário e vice-versa. TEMA 4 – INDUTOR E INDUTÂNCIA Normalmente um indutor é caracterizado por um enrolamento de fio em formato de hélice normalmente fixado a um núcleo, o qual pode ser ar ou outro material que induza um campo eletromagnético. A Figura 21 a seguir mostra os tipos de simbologia de indutores: Figura 21 – Simbologia de indutores Com derivação – é um indutor que pode ser derivado, ou seja, do qual se pode tirar indutâncias intermediárias. Núcleo variável – Indutores desse tipo são usados quando se precisa alterar a indutância à medida que se altera a disposição física do núcleo do indutor em questão. Núcleo de ar – Usamos esse tipo de indutor em radiofrequências e quando o material ferromagnético do núcleo pode alterar as características do campo eletromagnético de forma a prejudicar a indutância requerida. Núcleo de ferrite – Coloca-se o ferrite para melhorar a coercividade, resistividade e a permeabilidade magnética. Núcleo de ferro – Este tipo de núcleo é utilizado quando se quer altas indutâncias sem que sejam usadas frequências altas. Quando a chave no circuito da Figura 22b é fechada, uma corrente elétrica começa a circular no circuito (I). Esta corrente origina um campo 16 magnético cujas linhas de campo cortam as espiras subsequentes, induzindo nelas uma força eletromotriz auto induzida. De acordo com a Lei de Lenz, esta tensão induzida deverá se opor à causa que a originou (variação de I). Como resultado desta oposição, temos que a corrente no circuito levará um certo tempo para atingir o seu valor de regime (imposto pelas resistências ôhmicas do circuito). Figura 22a e 22 b – Circuito com indutor Se após a corrente ter atingido o seu valor máximo (2A) abrirmos a chave, a corrente I tenderá a diminuir. A variação do campo magnético novamente induzirá uma força eletromotriz de autoindução (e) com polaridade tal que originará uma corrente I´ que tenderá a se opor à diminuição de I. Desta forma, se a chave foi aberta no instante t = t´, ainda haverá corrente por um certo tempo. Figura 23a e 23b – Abertura de chave de um circuito com indutância Pode se concluir que um indutor se opõe a uma variação de corrente. 17 Observe a polaridade da força eletromotriz induzida da Figura 23b. A tensão induzida se soma com a tensão da fonte, de forma que, entre os terminais da chave aberta, a tensão será E + e. Se a força eletromotriz for suficientemente alta, pode aparecer um arco entre os contatos da chave, o que será perigoso para o operador. Se, na Figura 22b, colocarmos um núcleo de ferro na bobina (observe que nesta Figura o símbolo é de indutor com núcleo de ar) e repetirmos a experiência, verificaremos que a oposição oferecida pelo indutor à variação de corrente será maior. O tempo para que a corrente atinja o seu valor de regime será maior. Figura 24 – Indutor com núcleo de ferro Quando colocamos um núcleo de ferro na bobina, nós alteramos a sua indutância (L); neste caso, foi aumentado. Toda bobina ou indutor possui indutância. A indutância só depende das dimensões da bobina (número de espiras, comprimentos, diâmetro do núcleo) e do material de que é feito o núcleo. A indutância de uma bobina é uma medida do quanto de energia pode ser armazenada em um campo magnético. A unidade de indutância é denominada henry (H). O indutor tem a finalidade de acumular a energia através do campo eletromagnético, e é usado em diversos circuitos eletrônicos – tanto digitais quanto analógicos. Na Figura 25 são demonstrados indutores diversos retirados de circuitos analógicos, como é o caso de uma fonte chaveada. 18 Figura 25 – Tipos de indutores Fonte: <https://en.wikipedia.org/wiki/Inductor>. 4.1 Associação de indutores Nesta seção abordaremos o processo de associações com indutores, pois temos que saber associá-los tanto em série como em paralelo, pois teremos sempre indutores comerciais para a resolução de circuitos elétricos. 4.1.1 Associação de indutores em série Observe a seguinte configuração de indutores, na qual um está ligado ao outro em série (vide Figura 26): Figura 26 – Indutores em série Vejamos como calcular a indutância equivalente de indutores em série: como o trecho é de apenas um fio (condutor), a tensão total desse trecho é a soma da tensão induzida em cada um dos indutores, quando uma corrente i(t) atravessa os indutores. Ou seja: 𝑉𝑒𝑞 = 𝑉1 + 𝑉2 + ⋯ + 𝑉𝑛 𝐿𝑒𝑞 = 𝐿1 + 𝐿2 + ⋯ + 𝐿𝑛 19 4.2 Associação de Indutores em paralelo Suponha que tenhamos n indutores em paralelo, isto é, estão ligados em um mesmo par de terminais, conforme mostrado na Figura 27: Figura 27 – Indutores em paralelo A corrente total é i, e se divide entre os n trechos do circuito, de modo que, pelo Teorema da Conservação das Cargas: 𝑖𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑖1 + 𝑖2 + ⋯ + 𝑖𝑛 Concluímos que podemos substituir a configuração de indutores em paralelo por apenas um indutor de indutância: 1 𝐿𝑒𝑞 = 1 𝐿1 + 1 𝐿2 + ⋯ + 1 𝐿𝑛 TEMA 5 – CIRCUITO EM CA COM INDUTÂNCIA PURA Como visto anteriormente, quando aplicamos uma tensão a uma bobina, a corrente levará um certo tempo até atingir o seu valor de regime. Existe, pois, uma defasagem entre a tensão aplicada e a corrente que percorre o indutor. No caso de a tensão aplicada ser senoidal, a corrente (também senoidal) estará 90° atrasada em relação à tensão. Como já vimos, um indutor oferece uma oposição a uma variação de corrente. A medida desta oposição é dada pela reatância indutiva (XL) do circuito. A reatância indutiva depende da indutância do indutor e da frequência da corrente, sendo dada pela fórmula: XL = ω . L = 2π . f . L Em que L = Indutância da bobina em Henry F = frequência da c.a. em Hz XL = reatância da bobina em Ω 20 Figura 28 – Defasagem da corrente sobre a tensão A primeira Lei de OHM é válida em um circuito C.A. Neste caso, a resistência elétrica é substituída pela reatância indutiva. 𝐼 = 𝑉𝑔 𝑋𝐿 Em um circuito puramente indutivo (sem resistências), não há dissipação de energia. Na Figura 29, está representado o gráfico da potência instantânea em função do tempo. Figura 29 – Potência instantânea P(t) = v(t) . i(t) P(t) = potência instantânea Durante o primeiro quarto de ciclo, o circuito absorve energia, a qual é usada para aumentar a energia do campo magnético (a potência é positiva, e a energia é representada pela área entre a curva p e o eixo t). No segundo quarto do ciclo, a corrente diminui. A força eletromotriz de autoindução tenderá a se opor a essa diminuição. 21 A bobina comporta-se como gerador, devolvendo a energia (que estava armazenada no campo magnético) ao circuito (agora a potência é negativa). A sequência se repete no segundo meio ciclo. Desta forma, a potência é continuamente trocada entre o campo magnético e o circuito, não havendo perdas. A mesma conclusão pode ser obtida a partir da fórmula: P = Vef . Ief . cos ϕ Em que: P = Potência real ou potência ativa Vef = Tensão eficaz do circuito Ief = Corrente eficaz do circuito A reatância indutiva é medida em ohms e pode ser expressa por uma oposição à passagem de corrente elétrica. Atente-se que a reatância indutiva é atrelada à frequência aplicada ao circuito elétrico em questão. Toda vez que o circuito muda ou alteramos a frequência a reatância indutiva também é alterada. Se usarmos uma frequência considerada infinita teremos também uma reatância com essa ordem. FINALIZANDO Nesta aula foram abordados conceitos iniciais sobre corrente elétrica alternada que são de extrema importância no processo produtivo da indústria. Vimos ainda definições de indutância e transformação de corrente elétrica alternada; estas são a base geral de motores e transformadores, e que são usadas em infinitas aplicações dentro da indústria fabril. Por meio desses conceitos e cálculos aplicados podemos construir um conhecimento da utilidade do indutor e as consequências que devemos combater em seu uso. Não esqueça de praticar com exercícios diversos. Bom estudo! 22 REFERÊNCIAS BOYLESTAD, R. Introdução à análisede circuitos. 12. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2012. BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11. ed. São Paulo: Pearson, 2013. MARIOTTO, P. Análise de circuitos elétricos. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2003. NILSSON, J; RIEDEL, S. Circuitos elétricos. 8. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009.
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