Energia e Potencia em eletrotécnica

Prévia do material em texto

ELETROTÉCNICA
Diogo Braga da 
Costa Souza
Catalogação na publicação: Poliana Sanchez de Araujo – CRB 10/2094
S719e Souza, Diogo Braga da Costa.
 Eletrotécnica [recurso eletrônico] / Diogo Braga da 
Costa Souza, Rodrigo Rodrigues. – Porto Alegre : 
SAGAH, 2017.
Editado como livro em 2017.
ISB N 978-85-9502-055-9
1. Eletrotécnica. 2. Engenharia elétrica. I. Rodrigues, 
Rodrigo. II. Título. 
CDU 621.3
Livro_Eletrotecnica.indb IILivro_Eletrotecnica.indb II 06/03/2017 15:20:1306/03/2017 15:20:13
Energia e potência 
em eletrotécnica
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 Descrever os vários métodos de geração de energia elétrica: hidrelé-
tricas, termelétricas, nuclear, eólica e solar fotovoltaica.
 Entender o método usado na transmissão de energia a longas
distâncias.
 Descrever as etapas de produção de energia elétrica até o consumidor 
fi nal.
Introdução
Neste capítulo, você vai estudar os meios de geração e de transmissão 
de energia elétrica, conhecendo suas principais funções e característi-
cas, além dos mecanismos envolvidos na cogeração. Você também vai 
conhecer um pouco mais sobre a matriz energética brasileira (a mais 
renovável do planeta), com destaque para o funcionamento da usina 
hidrelétrica de Itaipu. 
Caracterização geral do sistema elétrico
Os sistemas elétricos são concebidos para possibilitar a entrega de energia 
elétrica para todas as pessoas, já que este é um direito fundamental de todos 
os cidadãos. Estes sistemas abrangem desde a geração da energia até a entrega 
aos consumidores fi nais. Como o armazenamento de energia elétrica é inviável, 
devido ao seu custo, os sistemas elétricos devem ser capazes de fornecer a 
energia necessária em cada instante, atendendo a demanda momentânea dos 
Eletrotecnica_U01_C01.indd 1Eletrotecnica_U01_C01.indd 1 06/03/2017 15:17:2906/03/2017 15:17:29
consumidores. Assim, esta característica exige um potencial do sistema que 
atenda ao seu máximo consumo.
Para que a energia gerada seja entregue aos consumidores, os sistemas 
elétricos possuem três partes:
  Geração, a qual se destina à conversão de energia proveniente de alguma 
fonte em energia elétrica.
  Transmissão, que interliga o sistema de geração ao de distribuição, 
sendo capaz de transportar altos níveis de energia.
  Distribuição, a qual é destinada à entrega de energia a consumidores 
de grande, médio e pequeno porte.
Explicando de forma simples: o transporte de energia começa nos gera-
dores, que, pela conversão de energia, injetam energia elétrica na rede. Essa 
energia passa por uma subestação de elevação, a qual eleva a tensão a níveis 
de transmissão. A energia percorre os condutores de transmissão e chega a 
subestações abaixadoras, que reduzem o valor da tensão a níveis de distribuição 
primária. As redes de distribuição levam a energia aos consumidores. Essa 
energia percorre as ruas das cidades até chegar ao ponto de entrega, onde 
ocorre novamente uma redução do nível de tensão, alcançando valores de 
distribuição secundária. Os níveis mais utilizados no Brasil são 220 e 127 V. 
Os consumidores de grande e médio porte podem estar ligados às redes de 
distribuição primária (KAGAN; OLIVEIRA; ROBBA, 2005).
Figura 1. Sistema elétrico simplificado.
Fonte: MSSA / Shutterstock.com.
Termelétrica
Linhas de transmissão
Linhas de
distribuição
Eletrotécnica2
Eletrotecnica_U01_C01.indd 2Eletrotecnica_U01_C01.indd 2 06/03/2017 15:17:3006/03/2017 15:17:30
Geração de energia elétrica
A geração de energia acontece pela conversão de algum outro tipo de energia 
em energia elétrica. A função da fonte de energia de entrada é girar o eixo 
de uma máquina elétrica rotativa, a qual converte o torque aplicado a ela em 
potência elétrica de saída (KAGAN; OLIVEIRA; ROBBA, 2005). A energia 
elétrica pode ser obtida de diversas maneiras. Neste capítulo, vamos abordar 
e conceituar as energias hidrelétrica, termelétrica, eólica, solar fotovoltaica 
e nuclear.
Hidrelétricas
As usinas hidrelétricas utilizam a energia potencial ou cinética presente na 
água de rios para a geração de energia elétrica.
Figura 2. Hidrelétrica.
Fonte: Christos Georghiou / Shutterstock.com
Em uma hidrelétrica que utiliza uma barragem de água, uma grande represa 
é construída. Isso aumenta a profundidade do rio, aumentando também a 
energia potencial devido à altura da água. Na barragem são instalados grandes 
tubos com muita inclinação, que transportam a água até as turbinas geradoras. 
A energia potencial antes contida na água, devido à barragem, se torna energia 
cinética, a qual movimenta o eixo das máquinas síncronas, que convertem a 
energia cinética da água em energia elétrica. Depois de passar pelas turbinas, 
a água volta ao seu curso normal no rio, sem sofrer danos.
3Energia e potência em eletrotécnica
Eletrotecnica_U01_C01.indd 3Eletrotecnica_U01_C01.indd 3 06/03/2017 15:17:3006/03/2017 15:17:30
O grande fator negativo das hidrelétricas de barragem é a necessidade de 
alagamento de áreas para sua construção, o que provoca um grande impacto 
ambiental à fauna e à flora local.
A base da matriz energética brasileira são as hidrelétricas: cerca de 60% 
da energia consumida no país é proveniente dessa fonte. A hidrelétrica 
com maior potência instalada é a de Itaipu, com 14.000 MW, possuindo 20 
unidades geradoras (10 em 50 Hz e 10 em 60 Hz). Essa divisão de tecno-
logias na hidrelétrica de Itaipu se deve à binacionalidade da usina, já que 
ela foi construída a partir de um acordo entre Brasil e Paraguai (ITAIPU 
BINACIONAL, 2017).
Termelétricas
A energia térmica produz energia elétrica a partir da queima de combustíveis, 
como óleo, carvão, gás natural e, em algumas usinas, biomassa. O fator de 
atração desse tipo de usina é que ela pode ser instalada localmente, ou seja, 
perto de centros consumidores, o que possibilita a redução de custos de trans-
missão de energia. A fonte primária desse tipo de geração é considerada não 
renovável, devido à reação química da combustão dos materiais.
O grande fator negativo dessas fontes é a liberação de grandes quantidades 
de gases, que causam impactos ambientais.
O processo de geração em termelétricas começa na queima do combustível, 
o que libera uma grande quantidade de energia térmica. A água, ao absorver 
essa energia, muda seu estado físico para vapor. Esse vapor então é pressurizado 
para que movimente as pás de uma turbina conectada ao eixo da máquina 
geradora (MAMEDE FILHO, 2012).
No Brasil, as termelétricas são utilizadas como segundo tipo de geração, 
sendo acionadas somente quando a quantidade de energia gerada por fontes 
hídricas não é suficiente para o atendimento da demanda energética. Essa 
situação ocorreu em 2016, quando a falta de chuvas ocasionou a redução do 
nível das barragens, diminuindo temporariamente o potencial de geração 
hídrica. Os acionamentos das usinas térmicas elevam o custo da energia, o 
que acaba sendo repassado aos consumidores por meio de tarifas de bandeiras: 
quanto maior for a quantidade de energia gerada por fontes térmicas, maior 
será o custo da energia.
Eletrotécnica4
Eletrotecnica_U01_C01.indd 4Eletrotecnica_U01_C01.indd 4 06/03/2017 15:17:3006/03/2017 15:17:30
Figura 3. Termelétrica.
Fonte: Christos Georghiou / Shutterstock.com
Parques eólicos
A geração eólica converte a energia cinética dos ventos em energia elétrica. 
Os aerogeradores são formados por grandes pás que, quando atingidas por 
fortes correntes de ar, começam a se mover, girando o eixo da máquina elétrica 
geradora (PETRUZELLA, 2013). 
No ano de 2015, o Brasil atingiu um potencial instalado de geração de 6,4 
GW de energia eólica, o que representa 4,7% do potencial brasileiro.
A energia eólica é um tipo de fonte complementar à fonte hídrica no Brasil, 
pois seu grande potencial de geração de energia ocorre no período de estiagem, 
considerado o mais crítico em termos de abastecimento energético.
Figura4. Parque eólico.
Fonte: Christos Georghiou/Shutterstock.com
5Energia e potência em eletrotécnica
Eletrotecnica_U01_C01.indd 5Eletrotecnica_U01_C01.indd 5 06/03/2017 15:17:3006/03/2017 15:17:30
Solar fotovoltaica
A geração fotovoltaica consiste na captação da radiação solar por placas 
semicondutoras capazes de converter essa energia em energia elétrica. Para 
maior efi ciência de utilização, estas placas devem ser instaladas em locais onde 
haja o maior tempo de incidência direta de radiação solar. Em alguns casos, 
são utilizados sensores de posicionamento solar para o direcionamento das 
placas. No entanto, os altos custos dessa tecnologia de geração desestimulam 
sua aplicação (PETRUZELLA, 2013).
No Brasil, esse é um tipo de fonte com um imenso potencial não explorado, 
pois o país é tropical e possui radiação de sol em grande parte do ano. Apesar 
do alto custo de implantação, cada vez mais os consumidores de energia vêm 
instalando estes sistemas para redução de custos do consumo de energia elétrica. 
A ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) lançou a Resolução 
Normativa n.º 414/2010, que permite a interligação de fontes de geração insta-
ladas por consumidores à rede de distribuição, ou seja, o consumidor gerador 
não precisa armazenar a energia gerada, ele injeta o excedente de energia na 
rede de distribuição, recebendo, assim, um crédito de energia, o qual poderá 
consumir quando seu consumo ultrapassar a capacidade geradora de sua 
instalação. Essa normatização incentiva a instalação de fontes de geração 
distribuída, pois reduz o custo de aplicação destes sistemas, eliminando a 
necessidade da aquisição de baterias.
Figura 5. Parque fotovoltaico.
Fonte: Christos Georghiou / Shutterstock.com
Eletrotécnica6
Eletrotecnica_U01_C01.indd 6Eletrotecnica_U01_C01.indd 6 06/03/2017 15:17:3006/03/2017 15:17:30
A geração de energia por meio de energia solar fotovoltaica ocorre pela conversão 
da radiação luminosa solar em energia elétrica, logo, esse não é um tipo de geração 
térmica, na qual se converte temperatura em energia elétrica. Aliás, quanto mais 
quentes forem as placas solares, menores se tornam seus rendimentos.
Usinas nucleares
As usinas nucleares são consideradas térmicas porque o processo básico de 
geração ocorre a partir da geração de energia elétrica para a vaporização da 
água, tracionando as turbinas pela pressão desse vapor. A grande diferença 
entre as usinas térmicas de combustão e as usinas nucleares é o processo de 
obtenção da energia térmica, o qual ocorre pela reação em cadeia da fi ssão de 
elementos radioativos por reatores nucleares. O elemento radioativo utilizado 
é o urânio enriquecido.
O Brasil possui três usinas nucleares que se localizam na cidade de Angra 
dos Reis (no Rio de Janeiro), denominadas Angra I, Angra II e Angra III (que 
ainda não está operando). Juntas, elas possuem um potencial instalado de cerca 
de 3.400 MW (ELETROBRÁS, 2017a).
Figura 6. Usina nuclear.
Fonte: Christos Georghiou/Shutterstock.com
7Energia e potência em eletrotécnica
Eletrotecnica_U01_C01.indd 7Eletrotecnica_U01_C01.indd 7 06/03/2017 15:17:3106/03/2017 15:17:31
Para saber mais sobre o processo de geração nuclear no Brasil, leia o Capítulo 8 do 
Atlas da Energia Elétrica no Brasil (AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA, 2008).
Cogeração
A utilização de combustíveis fósseis em processos possui um rendimento muito 
baixo, devido, entre outros motivos, à perda térmica. A cogeração consiste no 
processo de reaproveitamento do calor que seria desperdiçado pelo processo. 
Essa reutilização reduz as perdas do sistema e o custo da energia (MAMEDE 
FILHO, 2012).
A grande limitação dos sistemas de cogeração está no fato de as usinas de 
conversão da energia térmica residual precisarem estar localizadas próximas 
ao processo produtor dessa energia, sendo que a grande maioria possui pouco 
potencial de geração.
Um exemplo da aplicação da cogeração é a utilização do ar quente liberado 
em geradores de energia a partir de gás natural, sendo que a principal função 
do gerador é a produção de energia elétrica, e a utilização da energia térmica 
residual é considerada geração secundária ou cogeração.
Figura 7. Distribuição de energia em uma usina a ciclo fechado.
Fonte: GALP Energia (2015).
Eletrotécnica8
Eletrotecnica_U01_C01.indd 8Eletrotecnica_U01_C01.indd 8 06/03/2017 15:17:3106/03/2017 15:17:31
Transmissão e distribuição de energia elétrica
Os sistemas de transmissão e de distribuição de energia são formados ba-
sicamente pelos condutores e transformadores, que conduzem a corrente 
elétrica do sistema das fontes geradoras aos centros de consumo. Os fatores 
que diferenciam essas redes são seus níveis de tensão e suas aplicações (ELE-
TROBRÁS, 2017b).
Redes de transmissão
As gerações de energia elétrica por meio de fontes naturais requerem que as 
instalações dos centros de geração sejam em locais nos quais haja o potencial 
necessário para a produção de energia sufi ciente ao atendimento da demanda de 
consumo. No caso do Brasil, como a maior quantidade de geração de energia 
é proveniente de hidroelétricas, as fontes de geração com alto potencial de 
geração, fi cam distantes dos centros consumidores, exigindo que essa alta 
quantidade de energia seja transportada.
Esse transporte de grandes montantes de energia elétrica das fontes gera-
doras até próximo dos centros consumidores é de responsabilidade das redes 
de transmissão. Para a redução das seções dos cabos, são utilizados altos 
níveis de tensão, o que permite o transporte de um alto valor de potência 
com valores de corrente relativamente baixos, conforme mostrado na Figura 
8. Atualmente, a energia é transmitida em linhas de transmissão operando 
com tensões próximas a 1.000 kV (KAGAN; OLIVEIRA; ROBBA, 2005). 
Figura 8. Relação entre a redução da corrente nas linhas de transmissão pela elevação 
da tensão.
Como os sistemas em corrente contínua não possuem perdas devido 
aos efeitos reativos dos condutores, as linhas de transmissão CC são um 
método que reduz as perdas gerais do sistema. Como os sistemas de geração 
e consumo são em corrente alternada, a utilização de redes de transmissão 
9Energia e potência em eletrotécnica
Eletrotecnica_U01_C01.indd 9Eletrotecnica_U01_C01.indd 9 06/03/2017 15:17:3106/03/2017 15:17:31
CC é condicionada ao uso de conversores CA/CC próximos das usinas 
geradoras e de conversores CC/CA próximos dos centros de consumo. Estes 
conversores são equipamentos de alto custo e que possuem perdas (mesmo 
que pequenas nos conversores atuais). Assim, a utilização de transmissão 
CC é viável somente quando as economias devido à redução de perdas por 
efeitos reativos superam o custo e as perdas dos conversores. As linhas 
de transmissão CC são viáveis em transmissões de grandes distâncias 
(acima de 600 km), enquanto as linhas CA são utilizadas em transmissões 
a distâncias menores.
Um exemplo de utilização de transmissão CC são as linhas que interligam 
a hidrelétrica de Belo Monte ao município de Anapu (no Pará), que têm 
extensão de 2.086,9 km e tensão de transmissão de 800 kV (BMTE, 2014).
A usina hidrelétrica de Itaipu possui geradores 60 Hz e 50 Hz. Toda a 
energia 60 Hz é transmitida por linhas CA, três delas com tensão de 765 
kV e uma com 500 Kv. A energia gerada em 50 Hz, como não pode ser 
interligada diretamente à rede 60 Hz, é transmitida por duas linhas CC 
com tensão de 600 kV (ITAIPU BINACIONAL, 2017). Veja estas linhas 
na Figura 9.
Figura 9. Sistemas de transmissão de Itaipu. 
Fonte: Itaipu Binacional (2017).
Eletrotécnica10
Eletrotecnica_U01_C01.indd 10Eletrotecnica_U01_C01.indd 10 06/03/2017 15:17:3106/03/2017 15:17:31
O Brasil possui uma rede de transmissão formada por uma complexa rede 
com cerca de 116.000 km (ELETROBRÁS, 2017b), sendo considerada a maior 
do mundo. Essa característica se deve à extensão do território nacional e à 
interligação de todo o sistema elétrico brasileiro.
Redesde distribuição
Essa parte é a mais diversifi cada do sistema, sendo composta por diferentes 
níveis de tensão. A distribuição é dividida em subtransmissão, distribuição 
primária e distribuição secundária, as quais são interligadas por subestações 
abaixadoras, que reduzem os níveis de tensão e capacidade de transporte de 
potência. As principais funções são descritas a seguir (KAGAN; OLIVEIRA; 
ROBBA, 2005):
  Os sistemas de subtransmissão transferem a energia das subestações 
abaixadoras da transmissão para as subestações de distribuição, ope-
rando em tensões de 138 ou 69 kV, com capacidade de transmissão de 
20 a 150 MW.
  Os sistemas de distribuição primária (também denominada média 
tensão) são as redes que levam a energia das subestações de distribuição 
para os centros de consumo, operando em tensões de 13,8 Kv, com 
capacidade de transporte de potência de até 12 MVA. Esses sistemas 
alimentam os consumidores de médio porte, como pequenas indústrias 
e centros comerciais.
  Os sistemas de distribuição secundária são as redes que operam com 
tensões 220 V/127 V ou 380 V/ 220 V, consideradas baixa tensão. Essa 
rede recebe a energia das redes de distribuição primárias e alimentam 
consumidores residenciais, pequenos comércios e indústrias.
As interligações das linhas de distribuição são realizadas formando malhas com a 
intenção da continuidade do fornecimento, garantindo a entrega da energia ao con-
sumidor final (KAGAN; OLIVEIRA; ROBBA, 2005).
11Energia e potência em eletrotécnica
Eletrotecnica_U01_C01.indd 11Eletrotecnica_U01_C01.indd 11 06/03/2017 15:17:3106/03/2017 15:17:31
1. Qual dos seguintes meios de 
produção de energia converte 
a energia do sol diretamente 
em energia elétrica? 
a) Turbina a vapor.
b) Turbina hidráulica.
c) Turbina eólica.
d) Painel fotovoltaico.
e) Termelétrica.
2. Cogeração é a produção combinada 
de _________________ , utilizando um 
combustível primário. 
a) Energia hidrelétrica e solar.
b) Térmico, elétrico e energia eólica.
c) Calor de recuperação de perdas 
térmicas e energia elétrica.
d) Nuclear e potência de 
célula de combustível.
e) Termelétrica e energia eólica.
3. A transmissão de energia elétrica da 
estação geradora para o consumidor 
geralmente ocorre em: 
a) Alta tensão CA e 
correntes médias CC.
b) Baixa tensão CA e baixas 
correntes CC.
c) Baixa tensão CA e altos 
níveis de corrente CA.
d) Média tensão CC e 
médias correntes CA.
e) Alta tensão CA e baixos 
níveis de corrente CA.
4. Qual dos seguintes componentes 
de um sistema de transmissão 
e distribuição de energia é 
usado para levantar e abaixar 
os níveis de tensão? 
a) Isolador.
b) Transformador.
c) Disjuntor.
d) Inversor.
e) Interruptor.
5. A instalação elétrica 
mostrada a seguir é:
a) Uma unidade inversora.
b) Uma unidade que recebe a 
energia em baixa tensão.
c) Uma unidade elevadora 
de tensão.
d) Uma subestação abaixadora, que 
recebe energia em alta tensão.
e) Nenhuma alternativa.
Eletrotécnica12
Eletrotecnica_U01_C01.indd 12Eletrotecnica_U01_C01.indd 12 06/03/2017 15:17:3106/03/2017 15:17:31
AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Resolução normativa nº 414, de 9 de se-
tembro de 2010. Brasília: ANEEL, 2010. Disponível em: <http://www2.aneel.gov.br/
arquivos/PDF/atlas3ed.pdf>. Acesso em: 13 fev. 2017.
AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. ANEEL, Atlas da energia elétrica no Brasil. 
3. ed. Brasília: ANEEL, 2008. Disponível em: <http://www2.aneel.gov.br/arquivos/PDF/
atlas3ed.pdf>. Acesso em: 08 de fev. 2017.
BMTE. Relatório de impacto ambiental. [S.l.]: BMTE, 2014. Disponível em: <http://www.
bmte.com.br/wp-content/uploads/2016/06/RIMA.pdf>. Acesso em: 08 de fev. 2017.
ELETROBRÁS. Como a energia elétrica é gerada no Brasil. [S.l.]: Eletrobrás, 2017a. Dispo-
nível em: <http://www.eletrobras.com/elb/natrilhadaenergia/energia-eletrica/main.
asp?View={61D475A6-BBFC-41CE-98E3-2BA4FD90DB2F}>. Acesso em: 08 de fev. 2017.
ELETROBRÁS. Como a energia elétrica é transmitida no Brasil. [S.l.]: Eletrobrás, 2017b. 
Disponível em: < http://www.eletrobras.com/elb/natrilhadaenergia/energia-eletrica/
main.asp?View={05778C21-A140-415D-A91F-1757B393FF92}>. Acesso em: 08 de fev. 
2017.
GALP ENERGIA. Definição de cogeração. [S.l.]: GALP Energia, 2015. Disponível em: 
<http://www.galpenergia.com/PT/investidor/ConhecerGalpEnergia/Os-nossos-
-negocios/Gas-Power/Power/Cogeracao/Paginas/Definicao-de-cogeracao.aspx>. 
Acesso em: 13 fev. 2017.
ITAIPU BINACIONAL. Sistemas de transmissão de Itaipu. [S.l.]: Itaipu Binacional, 2017a. 
Disponível em: < http://www.eletrobras.com/elb/natrilhadaenergia/energia-eletrica/
main.asp?View={05778C21-A140-415D-A91F-1757B393FF92}>. Acesso em: 08 de fev. 
2017.
KAGAN, N.; OLIVEIRA, C. C. B.; ROBBA E. J. Introdução aos sistemas de distribuição de 
energia elétrica. São Paulo: Edgard Blucher, 2005.
MAMEDE FILHO, J. Instalações elétricas industriais. 8. ed. Rio de Janeiro: Edição Editora 
LTC, 2012.
PETRUZELLA, F. D. Eletrotécnica I. Porto Alegre: AMGH, 2013.
13Energia e potência em eletrotécnica
Eletrotecnica_U01_C01.indd 13Eletrotecnica_U01_C01.indd 13 06/03/2017 15:17:3106/03/2017 15:17:31
Conteúdo: