Instalações Eletricas Prediais - Geração

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Centro de Ensino Superior de Conselheiro Lafaiete- CES-CL - Engenharia Elétrica
Instalações Elétricas Prediais
1.5 Produção de uma Força Eletromotriz
Para que exista corrente elétrica é necessário que haja uma diferença de potencial (tensão) entre dois
pontos. A tensão elétrica é produzida por dispositivos ou máquinas adequadas, e quando a mesma
é medida nos terminais destas máquinas (geradores de eletricidade) é chamada de força eletromotriz
(f.e.m.).
A obtenção da f.e.m. pode ocorrer de várias maneiras:
• por atrito do vidro contra o couro;
• pela ação da luz sobre um película de selênio ou telúrio, depositada sobre uma chapa de ferro
(células fotoelétricas);
• por aquecimento do ponto de soldagem entre dois metais diferentes (efeito termelétrico);
• por ação química como em pilhas e baterias;
• por indução magnética, no caso dos geradores rotativos.
A f.e.m. pode ser estabelecida, por efeito de indução eletromagnética, por três processos:
• Pelo movimento de um condutor em um campo magnético
Dado um campo magnético (imã), um condutor (espira) se deslocando com movimentos de
rotação dentro deste campo, origina uma f.e.m. nos dois extremos deste condutor. Quando
ligado a um circuito externo, circulará corrente elétrica pelo mesmo. Este é o princípio do
método empregado na produção da f.e.m. de um gerador de corrente elétrica, e o fenômeno se
denomina indução magnética.
Figura 1: Rotação de um condutor em um campo magnético.
• Pelo movimento de um campo magnético no interior de um solenóide
Se deslocarmos um imã no interior de um solenóide, de tal modo que as linhas de força do
campo sejam cortadas pelas espiras do solenóide; entre os terminais deste solenóide será esta-
belecida uma corrente elétrica.
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Figura 2: Deslocamento longitudinal de um imã no interior de um solenóide.
• Pela variação da intensidade de um campo magnético a cuja ação se acha submetido um con-
dutor com espira helicoidais.
Não é propriamente uma geração de f.e.m., mas a corrente aplicada em um dos lados que
envolve o núcleo de aço da figura, um campo magnético surgirá no núcleo do transformador
(campo magnético). Se a corrente for alternada, haverá variação do do fluxo magnético através
da segunda bobina, que acarretará o surgimento de f.e.m. em seus terminais. Assim funcionam
os transformadores, em que o primário é alimentado com corrente alternada e no secundário a
f.e.m. é induzida, alimentando uma carga.
Figura 3: Esquema básico de um transformador monofásico.
1.6 Geradores
1.6.1 Gerador Monofásico
Inicialmente, será mostrado o funcionamento de um gerador monofásico e como se estabelece uma
f.e.m.
Para isto, um espira de material condutor, com extremidades A e B, gira com velocidade angular
constante, no espaço compreendido entre os dois pólos de um imã permanente (campo magnético
uniforme).
Na posição 1, a f.e.m. gerada é igual a zero, porque nesta posição nenhum dos dois lados da espira
corta as linhas magnéticas e não há modificação no campo magnético na espira.
Na posição 2, há uma grande modificação no campo magnético, e a f.e.m. que ocorre é máxima.
Na posição 3, a f.e.m. é novamente nula, como em 1. A partir de 3 a 4 a f.e.m. cresce negativa-
mente, e de 4 a 5 o valor da mesma decresce ainda negativamente até zero. Continuando o movimento
de rotação, a f.e.m. irá variando, repetindo-se o ciclo.
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Figura 4: Gerador de corrente elétrica monofásica e variação de f.e.m. em um período.
A figura abaixo, mostra como a f.e.m. pode ser aplicada ao fornecimento de corrente elétrica a
um circuito por meio de dois anéis I e II . Cada anel tem sua superfície externa contínua e é isolado
eletricamente do outro e do eixo da espira. Uma lâmina metálica ou "‘escova"de carvão apoia-se
sobre cada um dos anéis e conduz corrente para o circuito externo.
Figura 5: Representação esquemática de uma espira de gerador monofásico com anéis e escovas.
1.6.2 Gerador Trifásico
Um gerador (alternador) trifásico elementar é constituído por 3 bobinas, gerando tensão defasadas
entre si de 120o.
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Figura 6: Variação da f.e.m. em uma volta completa do sistema.
Valores eficazes: Intensidade eficaz de uma grandeza alternada é definida como sendo uma fonte
contínua de energia, equivalente. Um valor que produz os mesmos efeitos térmicos que a alternada.
Estes valores podem ser medidos (amperímetro para corrente e voltímetro para tensão) ou calculado
por:
Ief = Irms =
Imax√
2
= Imax × 0, 707 (1)
e
Vef = Vrms =
Vmax√
2
= Vmax × 0, 707 (2)
1.6.3 Grandezas a Serem Consideradas em um Circuito de Corrente Alternada
• Somente com resistência
Numa resistência, a da forma de onda a corrente que a atravessa e da tensão aplicada ocorre
simultaneamente, significando que a tensão e a corrente estão em fase: ϕ = 0.
Figura 7: Variação de tensão (U) e corrente (I) quando a é carga é puramente resistiva.
• Reatância Indutiva
Entende-se por reatância indutiva a oposição à passagem de corrente alternada em um bobina
(indutor); isto se deve ao fato de existir em uma bobina o fenômeno de auto-indução, que é
a capacidade da bobina de induzir tensão em si mesma, quando a corrente varia. A reatância
indutiva é representada por XL.
Os enrolamentos de motores e transformadores representam cargas indutivas, ao passo que
os ferros elétricos, chuveiros, torradeiras, aquecedores e lâmpadas incadescentes representam
simplesmente resistivas.
A reatância indutiva XL, depende da frequência da corrente e da indutância L expressa em
henrys [H].
XL = 2pi × f × L (3)
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Quando a carga do circuito é indutiva, existe uma diferença entre a tensão e a corrente porque
esta última sore um atraso em seu deslocamento, devido ao efeito da auto-indução. Quando a
resistência ôhmica é desprezível, isto é, só se considera a indutância, a defasagem entre I e V
(ou U ) é de 90o:
Figura 8: Variação de tensão (U) e corrente (I) quando a é carga é puramente indutiva.
• Reatância Capacitiva
Um capacitor é um dispositivo elétrico que acumula eletricidade, ou seja, concentra elétrons. Os
capacitores oferecem certa resistência à variação de tensão alternada, que se denomina reatância
capacitiva e se designa por XC , calculada por:
XC =
1
2pi × f × C (4)
sendo f a frequência da corrente em hertz e C a capacitância em farads.
Quando existe reatância capacitiva, a corrente se apresenta adiantada de 90o em relação à ten-
são: ϕ = −90o:
Figura 9: Variação de tensão (U) e corrente (I) quando a é carga é puramente capacitiva.
1.6.4 Ligações dos Enrolamentos dos Geradores Trifásicos
O alternador trifásico possui três enrolamentos defasados de 120o.
Quando estes três enrolamentos tem um ponto em comum, este ponto recebe o nome de ponto
neutro e a ligação deste gerador é em estrela (ou Y ). Estando o sistema em equilíbrio, correntes de
mesma intensidade percorrem os condutores das fases A, B e C. Caso contrário, o condutor ligado
ao ’ponto neutro’ servirá de retorno para compensar a diferença entre as correntes. Este é o chamado
condutor neutro, ou simplesmente, neutro.
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Figura 10: Ligação de um gerador em estrela.
Quando os enrolamentos estão ligados entre si, de modo a constituírem um circuito fechado, diz-
se que a ligação é em triângulo ou delta (∆). Nesta disposição não existe um ponto neutro enem
condutor neutro.
Figura 11: Ligação de um gerador em triângulo (delta).
A ligação em delta raramente é utilizada em geradores,uma vez que as f.e.m. não ficam equili-
bradas nas três fases. Sendo assim, caso a ligação em delta seja utilizada pode ocorrer aquecimento
excessivo sobretudo onde houver circuitos.
1.7 Potência Fornecida pelos Geradores
1.7.1 Potência
A potência trifásica ativa, tanto na ligação em estrela quanto em delta, é a mesma, e é igual a soma
das potências das três fases:
P = V × I ×
√
3× cosϕ (5)
sendo:
V a tensão eficaz entre dois fios de fase (tensão de linha);
I a corrente eficaz na linha;
ϕ o ângulo de defasagem de I em relação a V na representação vetorial destas grandezas.
Com esta mesma relação (Eq. 5) é possível determinar a potência trifásica consumida, por ele-
mentos passivos.
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Para potência (gerada ou dissipada) monofásica (tensão de fase) ou bifásica (tensão de linha):
P = V × I × cosϕ (6)
1.7.2 Fator de Potência
Num circuito de corrente alternada, onde existam somente cargas resistivas, a leitura do wattímetro é
igual à intensidade de corrente I pela diferença de potencial V , uma vez que ϕ = 0 (fato de potência
unitário).
Quando uma bobina é inserida no circuito, a potência lida pelo wattímetro será menor que o
produto I × V , uma vez que o bobina causa atraso na corrente em relação à tensão.
O fator de potência (fp) pode apresentar-se de duas formas:
• em circuitos puramente resistivos: fp = cosϕ = 1;
• em circuitos com indutância: fp = cosϕ < 1.
Exemplo no caderno.
1.8 Ligação de Aparelhos de Consumo de Energia Elétrica
Os circuitos receptores de energia elétrica de corrente alternada trifásica, do mesmo modo que os
dos alternadores ou dos transformadores, podem ser ligados em triângulo ou em estrela. (Considere
U = V )
• Ligação de equipamento em triângulo
Figura 12: Ligação de lâmpadas em triângulo (delta).
• Ligação de equipamento em estrela
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Figura 13: Ligação de lâmpadas em estrela (entre fases e o ponto neutro).
Na prática, para iluminação, o que se verifica quase sempre é a distribuição em estrela com o
condutor neutro.
1.9 Emprego de Transformadores
O transformador é o dispositivo que realiza a transformação de uma corrente alternada, sob uma
tensão, para outra corrente alternada, sob uma nova tensão, sem alterar o valor da potência. Assim:
P1 = P2 (7)
em que P1 é a potência no primário e P2 é a potência no secundário.
V1I1 = V2I2 (8)
em que V1 e I1 são tensão e corrente no primário, respectivamente; e V2 e I2 são tensão e corrente no
secundário, respectivamente.
ou ainda,
V1
V2
=
I2
I1
=
N1
N2
(9)
A ligação dos transformadores também podem ser feitas em estrela ou triângulo, como por exem-
plo:
Figura 14: Rede de distribuição usual nas instalações elétricas de edificações.
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