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UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS CORRENTE ALTERNADA Professor: Me. Fábio Alexandre Martins Monteiro Sala 127 eng.fabiomonteiro@gmail.com Ouro Preto 2 CORRENTE ALTERNADA História da Corrente Alternada − Guerra das Correntes • Feira Mundial de Chicago, em 1893. • Comissão Internacional das Cataratas do Niágara. Corrente Alternada Corrente Contínua Corrente Alternada Thomas Edison Nicola Tesla George Westinghouse • Inventou a lâmpada elétrica em 1879. • Em 1881, construiu a primeira estação geradora de eletricida- de em corrente contínua. • Defendia que o transporte da corrente alternada era mais eficiente. 3 Características das Correntes Corrente Contínua • Vantagem: Facilidade de controle de velocidade de motores C.C. • Desvantagem: Usinas geradoras devem localizar próxima a carga (1 a 2 km), devido a alta corrente na transmissão e consecutivamente a alta queda de tensão. Dispendioso Complicado CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada − Alta corrente, a área de secção reta do condutor grande. − Elevar a tensão da energia gerada. 4 Características das Correntes Corrente Alternada • É possível a utilização de transformadores para elevar a tensão. • Permite o transporte de energia com tensões muito elevadas e a diminuição à baixa tensão para utilização residencial. • Havendo assim uma pequena queda de tensão ao distribuir a energia. O sucesso da corrente alternada se deve a fácil elevação e redução da tensão (transformadores) CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 5 História da Corrente Alternada − Guerra das Correntes • Feira Mundial de Chicago, em 1893. • Comissão Internacional das Cataratas do Niágara. Corrente Alternada Nicola Tesla George Westinghouse Exibiu um sistema de geração e distribuição utilizando a corrente alternada. CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 6 Tensão Alternada é representada pela Lei senoidal 𝑒 = 𝐸𝑚. 𝑠𝑒𝑛θ • e: valor instantâneo da f.e.m.; • Em: amplitude de pico ou valor de pico; • θ: ângulo em graus ou radianos. CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 𝐸𝑚 −𝐸𝑚 0 𝑒 (𝑉) θ (𝑟𝑎𝑑) 1 ciclo 1 rotação π 2π 7 A f.e.m. é representada pela Lei senoidal • Se a face polar do gerador tiver uma determinada proporção, o número de linhas cortadas na unidade de tempo, gerará uma f.e.m. em cada condutor conforme uma lei senoidal. CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 1 ciclo 1 rotação 8 A f.e.m. é representada pela Lei senoidal: 𝑒 = 𝐸𝑚. 𝑠𝑒𝑛θ • e: valor instantâneo da f.e.m.; • Em: amplitude de pico ou valor de pico; • θ: ângulo que o eixo magnético NS do rotor faz com a linha horizontal xx. CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 1 ciclo 1 rotação 9 Pode-se exprimir θ em função do tempo • Equação da velocidade linear: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = 𝑑𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜) 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 (𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠) • Equação da velocidade angular: 𝑉𝑒𝑙. 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟 = 𝑑𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑜𝑠) 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 (𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠) ω(𝑟𝑎𝑑/𝑠) = θ(𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑜𝑠) 𝑡(𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠) θ = ω𝑡 CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 10 Determinar a velocidade angular (ω) ω = 𝑑𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑜𝑠) 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 (𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠) ω(𝑟𝑎𝑑/𝑠) = 2π(𝑟𝑎𝑑) 𝑇(𝑠) Período (T): intervalo de tempo entre repetições sucessivas de uma forma de onda periódica. Unidade: segundos. CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 1 ciclo 1 rotação 11 Determinar a velocidade angular (ω) ω = 𝑑𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑜𝑠) 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 (𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠) 𝑓(𝐻𝑧) = 1 𝑇(𝑠) frequência (f): o número de ciclos que ocorrem em 1 segundo. Unidade: ciclos/s ou hertz – Hz. CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 12 Determinar a velocidade angular (ω) ω = 𝑑𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑜𝑠) 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 (𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠) Pode-se exprimir θ em função do tempo: θ = 2π𝑓𝑡 Equação tensão instantânea em função do tempo: 𝑒(𝑡) = 𝐸𝑚. 𝑠𝑒𝑛2π𝑓𝑡 ω(𝑟𝑎𝑑/𝑠) = 2π(𝑟𝑎𝑑) 𝑇(𝑠) ω = 2π𝑓 θ = ω𝑡 CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 13 O que seria essa f.e.m. alternada ? • Frequência 1 Hz: • Frequência 2 Hz: • Frequência 60 Hz: CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 14 Valor Médio de uma Senóide 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑀é𝑑𝑖𝑜 = 1 𝑇 𝑓 𝑡 𝑑𝑡 𝑇 0 𝐸𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 1 2π 𝐸𝑚𝑠𝑒𝑛θ𝑑θ = 0 2π 0 O valor médio de uma função senoidal para um período completo é sempre 0. CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 15 Valores Eficazes (rms) • Amplitude de uma corrente alternada aplicada a um resistor R necessária para fornecer a mesma potência que em uma corrente contínua aplicada no mesmo resistor R? • Valor eficaz é o valor equivalente em CC de uma onda CA. CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 𝑃 𝑐𝑎 𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 𝑃 𝑐𝑐 𝑚é𝑑𝑖𝑜 𝐼𝑟𝑚𝑠 = 𝐼𝑚 2 = 0,707. 𝐼𝑚 𝐸𝑟𝑚𝑠 = 𝐸𝑚 2 = 0,707. 𝐸𝑚 𝐸 (𝑉) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 16 𝐸𝑚 𝐸𝑟𝑚𝑠 −𝐸𝑚 0 𝑡 (𝑠) CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada Valores Eficazes (rms) • Valor eficaz é o valor equivalente em CC de uma onda CA: 𝑃 𝑐𝑎 𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 𝑃 𝑐𝑐 𝑚é𝑑𝑖𝑜 17 Valores Eficazes (rms) 𝑃 𝑐𝑎 𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 𝑃 𝑐𝑐 𝑚é𝑑𝑖𝑜 • 𝑃 𝑐𝑐 𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 𝐼𝑐𝑐 2 𝑅 • 𝑃 𝑐𝑎 𝑚é𝑑𝑖𝑜 = (𝑖𝑐𝑎)²𝑅 = (𝐼𝑚. 𝑠𝑒𝑛𝑤𝑡)²𝑅 = (𝐼𝑚². 𝑠𝑒𝑛²𝑤𝑡). 𝑅 Porém, 𝑠𝑒𝑛2𝑤𝑡 = 1 2 1 − 𝑐𝑜𝑠2𝑤𝑡 𝑃 𝑐𝑎 𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 𝐼𝑚 2 1 2 1 − 𝑐𝑜𝑠2𝑤𝑡 𝑅 = 𝐼𝑚 2 𝑅 2 − 𝐼𝑚 2 𝑅 2 . 𝑐𝑜𝑠2𝑤𝑡 𝑃 𝑐𝑎 𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 𝐼𝑚 2 𝑅 2 𝑃 𝑐𝑎 𝑚é𝑑𝑖𝑜 = 𝑃 𝑐𝑐 𝑚é𝑑𝑖𝑜 𝐼𝑚 2 𝑅 2 = 𝐼𝑐𝑐 2 𝑅 𝐼𝑐𝑐 = 𝐼𝑚 2 CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 18 Valores Eficazes (rms) 𝐼𝑟𝑚𝑠 = 𝐼𝑚 2 = 0,707. 𝐼𝑚 𝐸𝑟𝑚𝑠 = 𝐸𝑚 2 = 0,707. 𝐸𝑚 𝐼𝑚 = 2. 𝐼𝑟𝑚𝑠 = 1,414. 𝐼𝑟𝑚𝑠 𝐸𝑚 = 2. 𝐸𝑟𝑚𝑠 = 1,414. 𝐸𝑟𝑚𝑠 CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 19 Representação de um forma de onda senoidal CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 𝑒 = 𝐸𝑚. 𝑠𝑒𝑛α 𝑒 = 𝐸𝑚. 𝑠𝑒𝑛ω𝑡 20 Representação de um forma de onda senoidal • Qual será a equação se a onda estiver θ graus ou radianos deslocada à esquerda da origem: CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 21 Representação de um forma de onda senoidal • Qual será a equação se a onda estiver θ graus ou radianos deslocada à esquerda da origem: CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 𝑒 = 𝐸𝑚. 𝑠𝑒𝑛(α + θ) 𝑒 = 𝐸𝑚. 𝑠𝑒𝑛(ω𝑡 + θ) Esta onda está adiantada em relação a onda inicial. 22 Representação de um forma de onda senoidal • Qual será a equação se a onda estiver θ graus ou radianos deslocada à direita da origem: CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 23 Representação de um forma de onda senoidal • Qual será a equação se a onda estiver θ graus ou radianos deslocada à direita da origem: CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 𝑒 = 𝐸𝑚. 𝑠𝑒𝑛(α − θ) 𝑒 = 𝐸𝑚. 𝑠𝑒𝑛(ω𝑡 − θ) Esta onda está atrasada em relação a onda inicial. 24 Representação de um forma de onda cossenoidal CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 𝑒 = 𝐸𝑚. 𝑐𝑜𝑠α25 Relação entre seno e cosseno CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 𝑎 = 𝐴𝑚. 𝑠𝑒𝑛α 𝑏 = 𝐴𝑚. 𝑐𝑜𝑠α 𝑠𝑒𝑛α = cos (α − 90°) 𝑠𝑒𝑛(α + 90°) = cos α 26 Relacionar as formas de onda da tensão e corrente CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada A relação de fase entre duas formas de onda indica qual delas está adiantada ou atrasada e por quantos graus ou radianos. 27 Exemplo: Qual é a relação de fase entre as formas de onda senoidais das seguintes equações. 𝑣 = 10𝑠𝑒𝑛 ω𝑡 + 30° e 𝑖 = 5𝑠𝑒𝑛(ω𝑡 + 70°) CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada A corrente i está adiantada 40° em relação a tensão v. A tensão v está atrasada 40° em relação a corrente i. 28 Exemplo: Qual é a relação de fase entre as formas de onda senoidais das seguintes equações. 𝑣 = 10𝑠𝑒𝑛 ω𝑡 − 20° e 𝑖 = 15𝑠𝑒𝑛(ω𝑡 + 60°) CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada A corrente i está adiantada 80° em relação a tensão v. A tensão v está atrasada 80° em relação a corrente i. 29 Exemplo: Qual é a relação de fase entre as formas de onda senoidais das seguintes equações. 𝑣 = 3𝑠𝑒𝑛 ω𝑡 − 10° e 𝑖 = 2𝑐𝑜𝑠(ω𝑡 + 10°) CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada A corrente i está adiantada 110° em relação a tensão v. A tensão v está atrasada 110° em relação a corrente i. 30 Representação de um forma de onda senoidal por vetor girante CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada Vetor girante seno 31 Representação de um forma de onda senoidal por vetor girante CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada Vetor girante seno 32 Representação de um forma de onda senoidal por vetor girante CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada Vetor girante seno 33 Vetor girante CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 𝑉𝑒𝑡𝑜𝑟 = 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜∠â𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 • Representação na forma polar de um número complexo: 𝑪 = 𝑍∠θ 34 Fasores • São na realidade vetores que giram; • A denominação fasores é utilizada em análise CA; • A notação fasorial simplifica a resolução de problemas envolvendo funções senoidais no tempo; • O fasor é definido tendo: − Módulo igual ao valor rms da função que representa; − Ângulo (Fase) igual ao ângulo de adiantamento ou atraso da função senoidal que representa. CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 35 Fasores CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 𝑽 = 𝑉∠θ e 𝑰 = 𝐼∠θ Onde, V e I são valores rms e θ é o ângulo de fase. Exemplo: Converta as expressões a seguir do domínio do tempo para o domínio dos fasores: Domínio do Tempo: a) 𝑒 𝑡 = 2 50 𝑠𝑒𝑛ω𝑡 b) 𝑖 𝑡 = 69,6𝑠𝑒𝑛(ω𝑡 − 72°) c) 𝑒 𝑡 = 45cos (ω𝑡 + 10°) Domínio dos Fasores: a) 𝑬 = 50∠0° b) 𝑰 = 49,2∠ − 72° c) 𝑬 = 31,8∠ + 100° 36 Fasores CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 𝑽 = 𝑉∠θ e 𝑰 = 𝐼∠θ Onde, V e I são valores rms e θ é o ângulo de fase. Exemplo: Converta as expressões a seguir do domínio do tempo para o domínio dos fasores: Domínio do Tempo: a) 𝑒 𝑡 = 180𝑠𝑒𝑛(ω𝑡 + 100°) b) 𝑖 𝑡 = 311,1𝑐𝑜𝑠(ω𝑡 − 210°) c) 𝑒 𝑡 = 141,4cos (ω𝑡 + 30°) Domínio dos Fasores: a) 𝑬 = b) 𝑰 = c) 𝑬 = 37 Representações de números complexos CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 𝑪 = 𝑍∠θ 𝑪 = 𝑋 + 𝑗𝑌 - Forma Polar: - Forma Retangular: Conversão entre as duas formas: - Retangular para Polar: - Polar para Retangular: 𝑍 = 𝑋2 + 𝑌² θ = tan−1 𝑌 𝑋 𝑋 = 𝑍 cos θ 𝑌 = 𝑍 sin θ 38 Conversão entre as duas formas • Retangular para Polar: • Polar para Retangular: CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada Exemplo: Converta os seguintes números complexos da forma retangular para a forma polar. 𝑍 = 𝑋2 + 𝑌² θ = tan−1 𝑌 𝑋 𝑋 = 𝑍 cos θ 𝑌 = 𝑍 sin θ Exemplo: Converta os seguintes números complexos da forma polar para a forma retangular. a) 𝑪 = 10 ∠30° b) 𝑫 = 20∠ − 10° a) 𝑨 = 3 + 𝑗4 b) 𝑩 = 4 − 𝑗8 39 CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada Operações matemáticas com números complexos • Por definição: • Conjugado de um número complexo: 𝑗 = −1 𝑗2 = −1 1 𝑗 = −𝑗 Adição ou Subtração: 𝑿 = 𝑎 + 𝑗𝑏 𝒀 = 𝑐 + 𝑗𝑑 𝑿 ± 𝒀 = (𝑎 + 𝑐) ± 𝑗(𝑏 + 𝑑) Realizada na forma retangular 𝑪 = 𝑥 + 𝑗𝑦 𝑥 − 𝑗𝑦 Multiplicação ou Divisão: Realizada na forma polar • Divisão: 𝑿 = 𝑍1∠θ1 𝒀 = 𝑍2∠θ2 𝑿 𝒀 = 𝑍1 𝑍2 ∠(𝜃1 − 𝜃2) ‘ • Multiplicação: 𝑿 = 𝑍1∠θ1 𝒀 = 𝑍2∠θ2 𝑿. 𝒀 = 𝑍1. 𝑍2 ∠(𝜃1 + 𝜃2) 40 CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada Operações matemáticas com números complexos Adição ou Subtração: Realizada na forma retangular Multiplicação ou Divisão: Realizada na forma polar Exemplo: Realize as seguintes operações matemáticas envolvendo números complexos. a) 𝑪 + 𝑫 = (10 ∠30°)+(20∠ − 10°) b) 𝑨/𝑩 = (3 + 𝑗4)/(4 − 𝑗8) 𝑿 = 𝑎 + 𝑗𝑏 𝒀 = 𝑐 + 𝑗𝑑 𝑿 ± 𝒀 = (𝑎 + 𝑐) ± 𝑗(𝑏 + 𝑑) • Multiplicação: 𝑿 = 𝑍1∠θ1 𝒀 = 𝑍2∠θ2 𝑿. 𝒀 = 𝑍1. 𝑍2 ∠(𝜃1 + 𝜃2) 41 CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada Referências Bibliográficas BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Introdução à Análise de Circuitos. Ed. Pearson, 2011; • Capítulo 13 – Formas de Ondas Alternadas Senoidais; • Capítulo 14 – Os Dispositivos Básicos e os Fasores. GRAY, A.; WALLACE, A. Eletrotécnica: princípios e aplicações. Ed. Ao Livro Técnico SA., 1971 • Capítulo 27 – Voltagens e Correntes Alternadas. Kosow, I. Máquinas Elétricas e Transformadores. Ed., 2005. • Capítulo 1 – Fundamentos de Eletromecânica. CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada EXTRAS Os Geradores CA (Alternadores) • São classificados: • De Induzido Rotatório: • De Campo Rotatório: CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada Alternador de Induzido Rotatório • Os polos do campo magnético são fixos e as bobinas do induzido são rotatórias; • Este tipo de construção só é utilizado em pequenos alterna- dores. CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada Alternador de Induzido Rotatório CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada Alternador de Campo Rotatório • As bobinas do induzido são fixas e os polos magnéticos são rotatórios; • Os grandes alternadores são construídos desta forma. A parte estacionária chama-se estator. A parte com o campo girante chama-se rotor. CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada Alternador de Campo Rotatório CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 12 A f.e.m. é representada pela Lei senoidal • Se a face polar do gerador tiver uma determinada proporção, o número de linhas cortadas na unidade de tempo, gerará uma f.e.m. em cada condutor conforme uma lei senoidal. CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada 1 ciclo 1 rotação CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada F.e.m. induzida senoidal • 1 única bobina girando num campo magnético uniforme e com velocidade constante: Posições de rotação: f.e.m nas posições: CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada F.e.m. induzida senoidal • 1 única bobina girando num campo magnético uniforme e com velocidade constante: Todas as máquinas elétricas geram correntes alternadas (CA). Quando se inverte a face polar que o condutor está em frente, inverte a f.e.m. induzida. CORRENTE ALTERNADACorrente Alternada F.e.m. induzida senoidal • 1 única bobina com um coletor de 2 segmentos girando num campo magnético uniforme e com velocidade constante: Posições de rotação: f.e.m nas posições: CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada F.e.m. induzida senoidal • 1 única bobina com um coletor de 2 segmentos girando num campo magnético uniforme e com velocidade constante: Posições de rotação: f.e.m nas posições: CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada F.e.m. induzida senoidal • 2 bobinas com um coletor de 4 segmentos girando num campo magnético uniforme e com velocidade constante: Posições de rotação: f.e.m nas posições: CORRENTE ALTERNADA Corrente Alternada F.e.m. induzida senoidal • 2 bobinas com um coletor de 4 segmentos girando num campo magnético uniforme e com velocidade constante: Máquinas comerciais empregam muitos condutores. A retificação de uma tensão CA para uma tensão CC é realizado pelo Coletor.
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